Institut des
NanoSciences de Paris
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Collisions ion – couches minces à effet magnétocalorique géant

L’objectif de cette thématique est l’étude de l’interaction entre ions lourds et des couches minces à effet magnétocalorique géant (EMCG) et des modifications induites à long terme sur ces échantillons. L’EMCG est lié à une grande variation d’entropie associée à une transition de phase de premier ordre. Grâce à cette importante variation d’entropie par application d’un champ magnétique externe, les matériaux EMCG sont très intéressants pour leur utilisation dans la réfrigération magnétique, une nouvelle méthode alternative plus performante et plus respectueuse de l’environnement que les méthodes de réfrigération communément utilisées (voir Fig. 1). Cependant, les applications sont actuellement limitées par deux facteurs : 1) la présence des phénomènes d’hystérésis liés à la transition de phase de premier ordre et 2) la difficulté de varier de façon contrôlée la température où l’effet magnétocalorique est maximal.

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Figure 1
Gauche : Comparaison entre un cycle thermique de la réfrigération magnétique (cycle Brayton) et le cycle basé sur la compression/expansion de gaz communément utilisé. Droite : Le même cycle représenté sur le diagramme entropie-température.

Dans les dernières années, nous avons découvert une méthode pour résoudre ces deux obstacles basée sur l’irradiation par ions lourds. Nous avons pu démontrer qu’il était possible de réduire et même d’éliminer complétement l’hystérésis de façon permanente tout en conservant les propriétés magnétocaloriques géantes de couches minces d’arséniure de manganèse (MnAs, Fig. 2). Dans les couches de fer-rhodium, nous avons également mis en évidence que la température de transition associée à l’EMCG peut être modulée simplement via la fluence des ions incidents sur l’échantillon (Fig. 2). En changeant l’énergie cinétique des ions, d’autres études sont en cours afin d’apporter des nouvelles informations sur les défauts induits par la collision des ions sur les échantillons. D’autres types de matériaux à EMGC sont également en cours d’investigations.

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Figure 2
Gauche : suppression de l’hystérésis thermique par irradiation d’ions dans des couches minces de MnAs (champs appliqué de 1 T). Droite : Pic de l’entropie magnétique relatif à l’application d’un champ de 2 T sans et avec irradiation d’ions des échantillons.

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Figure 3
Déplacement de la température de transition par irradiation d’ions de différentes fluences dans des couches de minces de FeRh.

Collaborations

Cette thématique est développée en collaboration avec l’équipe ELACOU (M. Marangolo) de l’INSP, le laboratoire Satie (M. Lo Bue) et le laboratoire CNRS/Thales (V. Garcia). Depuis octobre 2018, cette recherche se développe dans le cadre du projet ANR HyPerTherMag.

Thèses de doctorat

2014–17, S. Cervera, Manipulation des propirétés magnétiques de materiaux à effet magnétocalorique géant par impact d’ions lourds

Publications

[1] M. Trassinelli, L.B. Carlsson, S. Cervera, M. Eddrief, V.H. Etgens, E.V. Gafton, E. Lacaze, E. Lamour, A. Lévy, S. Macé, C. Prigent, J.P. Rozet, S. Steydli, M. Marangolo, and D. Vernhet, Low energy Ne ion beam induced-modifications of magnetic properties in MnAs thin films, J. Phys. Condens. Matter 29, 055001 (2017)

[2] S. Cervera, M. Trassinelli, M. Marangolo, C. Carrétéro, V. Garcia, S. Hidki, E. Jacquet, E. Lamour, A. Lévy, S. Macé, C. Prigent, J.P. Rozet, S. Steydli, and D. Vernhet, Modulating the phase transition temperature of giant magnetocaloric thin films by ion irradiation, Phys. Rev. Materials 1, 065402 (2017)

[3] E.V. Gafton, G. Bulai, O.F. Caltun, S. Cervera, S. Macé, M. Trassinelli, S. Steydli, and D. Vernhet, Structural and magnetic properties of zinc ferrite thin films irradiated by 90 keV neon ions, App. Surf. Sci. 379, 171-178 (2016)

[4] S. Cervera, M. Trassinelli, M. Marangolo, L.B. Carlsson, M. Eddrief, V.H. Etgens, V. Gafton, S. Hidki, E. Lamour, A. Lévy, S. Macé, C. Prigent, J.P. Rozet, S. Steydli, Y. Zheng, and D. Vernhet, Hints on the origin of the thermal hysteresis suppression in giant magnetocaloric thin films irradiatied with highly charged ions, J. Phys. CS 635, 012028 (2015)

[5] M. Trassinelli, M. Marangolo, M. Eddrief, V.H. Etgens, V. Gafton, S. Hidki, E. Lacaze, E. Lamour, C. Prigent, J.-P. Rozet, S. Steydli, Y. Zheng, and D. Vernhet, Suppression of the thermal hysteresis in magnetocaloric MnAs thin film by highly charged ion bombardment, Appl. Phys. Lett. 104, 081906 (2014)

[6] M. Trassinelli, V.E. Gafton, M. Eddrief, V.H. Etgens, S. Hidki, E. Lacaze, E. Lamour, X. Luo, M. Marangolo, J. Mérot, C. Prigent, R. Reuschl, J.P. Rozet, S. Steydli, and D. Vernhet, Magnetic properties of MnAs thin films irradiated with highly charged ions, Nucl. Instrum. Methods B 317, 154-158 (2013)

Brevets

M. Trassinelli, S. Cervera, D. Vernhet, M. Marangolo, and V. Garcia, Procédé d’obtention d’un matériau à effet magnétocalorique géant par irradiation d’ions. 4 April, 2017