Institut des
NanoSciences de Paris
insp
Accueil > Faits d’actualité > Archives 2008 > Le rôle des contraintes
insp
3.jpg

Faits d’actualité

Le rôle des contraintes induites par l’épitaxie sur l’effet magneto-calorique de MnAs

Novembre 2008

L’effet magneto-calorique (MCE) est une variation isotherme d’entropie magnétique ou une variation adiabatique de température dans un matériau sous l’effet d’un champ magnétique. Cet effet est déjà exploité à basse température dans certains systèmes cryogéniques. Ces dernières années, la recherche de matériaux présentant des valeurs de MCE géantes, i.e. approchant la limite donnée par la variation d’entropie magnétique, aux alentours de la température ambiante s’est intensifiée. Ceci apparaît comme une étape indispensable afin d’élaborer des dispositifs ayant des applications potentielles dans la vie courante.

Dans l’arséniure de manganèse, MnAs, l’effet magnéto-calorique est associé à une transition de phase magnéto-structurale complexe. α-MnAs cristallise dans une structure hexagonale ferromagnétique stable en dessous de 318 K, température à laquelle il se transforme en β-MnAs orthorhombique et paramagnétique par une transition de phase du premier ordre. Cette transition méta-magnétique est à l’origine d’un effet magnéto-calorique géant aux alentours de la température ambiante. Récemment, un effet dit colossal, supérieur à la variation d’entropie magnétique, a été mesuré dans du MnAs volumique et certain de ses alliages [1-2]. Cet effet semble augmenter avec la pression hydrostatique. Cependant, des études récentes suggéraient que ces découvertes devaient encore être confirmées [3-4].

(a-b) Courbes expérimentales de MCE obtenues pour des couches épitaxiées de MnAs/GaAs(001) et MnAs/GaAs(111). (c-d) Courbes simulées.

Dans ce but, nous avons mesuré l’effet magnéto-calorique dans des couches minces épitaxiées sur deux substrats différents : GaAs(001) et GaAs(111) élaborées par épitaxie par jets moléculaires. L’état de contrainte lié à l’épitaxie modifie profondément la transition de phase α-β. Les mesures montrent que la gamme de température et la position du maximum de MCE sont très différentes dans ces deux systèmes, Fig. (a-b).

Ces résultats expérimentaux ont pu être modélisés de façon satisfaisante par un modèle de champ moyen en faisant l’hypothèse que le MCE, à une température donnée, est proportionnel à la fraction de phase α , Fig. (c-d). L’accord entre les courbes (modèle et résultats expérimentaux) justifie cette hypothèse a posteriori et montre que le MCE de MnAs est lié à la seule variation d’entropie magnétique : il n’est pas nécessaire d’invoquer des contributions importantes d’origine électronique ou liées au réseau. L’effet magnéto-calorique n’est pas colossal mais reste géant. Son étendue et la position de son maximum peuvent être contrôlées en jouant avec les contraintes d’épitaxie qui gouvernent l’évolution thermique de la phase α.

Pour en savoir plus

Strain Engineering of the Magnetocaloric Effect in MnAs Epilayers,
D. H. Mosca, F. Vidal and V. H. Etgens, Phys. Rev. Lett. 101, 125503 (2008). (Editors’ Suggestions)

[1] S. Gama et al., Phys. Rev. Lett. 93, 237202 (2004).
[2] A. de Campos et al., Nat. Mater. 5, 802 (2006).
[3] G.J. Liu et al., Appl. Phys. Lett. 90, 032507 (2007).
[4] J.D. Zou et al., Europhys. Lett. 81, 47002 (2008).