1 / 43

SYNTHESE ET ETUDE D’ALLIAGES  GRANULAIRES  Cu-Fe-Co A PROPRIETES MAGNETORESISTIVES

SYNTHESE ET ETUDE D’ALLIAGES  GRANULAIRES  Cu-Fe-Co A PROPRIETES MAGNETORESISTIVES. R. LARDE , J.M. LE BRETON, F. Richomme, J. Teillet GPM UMR CNRS 6634 Université de ROUEN 2003. PLAN DE L’EXPOS É. I – Introduction. - Magnétorésistance et alliages granulaires. - Objectifs de l’étude.

saber
Download Presentation

SYNTHESE ET ETUDE D’ALLIAGES  GRANULAIRES  Cu-Fe-Co A PROPRIETES MAGNETORESISTIVES

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. SYNTHESE ET ETUDED’ALLIAGESGRANULAIRES Cu-Fe-CoA PROPRIETES MAGNETORESISTIVES R. LARDE, J.M. LE BRETON, F. Richomme, J. Teillet GPM UMR CNRS 6634 Université de ROUEN 2003

  2. PLAN DE L’EXPOSÉ I – Introduction - Magnétorésistance et alliages granulaires - Objectifs de l’étude II –Alliages granulaires Cu80Fe20-xCox - Elaboration - Le broyage mécanique - Caractérisation structurale - Propriétés magnétiques IV – Mise en forme par compactage V – Conclusion et perpectives

  3. I - INTRODUCTION MAGNETORESISTANCE ET ALLIAGES GRANULAIRES Définition : Variation de la résistance électrique d’un matériau dû à l’application d’un champ magnétique.

  4. LAMAGNETORESISTANCE Augmentation ou diminution de la résistance électrique 4 types de magnétorésistances Géante colossale Forte diminution de R avec le champ B Le champ magnétique perturbe la diffusion des électrons au sein du matériau Perturbations de natures différentes Anisotrope Tunnel Ordinaire Force de Lorentz couplage L.S Diffusion dépendante du spin

  5. Co Cu Cr Cr Cr Fe Fe LA MAGNETORESISTANCE GEANTE (MRG) Découverte en 1988 dans des multicouches Fe/Cr Observée en 1992 dans des alliages granulaires Cu-Co Matrice conductrice non-magnétique (Cu) Alternance de couches non-magnétiques de Cr et de couches magnétiquesde Fe + Nanoparticules Magnétiques (Co) Diminution de R avec le champ B Diffusion électronique dépendante du spin

  6. 2 canaux indépendants 4s+ (spin up) et 4s- (spin down) Modèle de Mott (1936) les électrons 4s véhiculent le courant électrique m m 3d- EF I 3d+ 4s 4s Diffusion 4s+ 4s+ pour les spin up Evénements de diffusion : Diffusion 4s- 3d- pour les spin down LE MECANISME: La diffusion dépendante du spin Métaux de transition Particule magnétique Cu Cu

  7. LE MECANISME: La diffusion dépendante du spin Retournement d’aimantation Particule magnétique Cu m m Cu 3d- EF I 3d+ 4s 4s La diffusion des électrons dépend de l’orientation du spin par rapport au moment magnétique

  8. I I R ­ ¯ R ­ ¯ R R ­ ­ ­ ­ R ­ ­ R R R ­ ­ ¯ ¯ ­ ­ Les 2 canaux subissent le même nombre de diffusions 4s 3d Seul le canal de spin down subit la diffusions 4s 3d × × 2 R R = ( ) 2 ­¯ ­­ R + eq + ( R R ) ( R R ) = ( ) 1 ­¯ ­­ R ­¯ ­­ eq 2 LE MECANISME: La diffusion dépendante du spin Champ magnétique nul Champ magnétique élevé Distribution aléatoire des moments magnétiques Moments magnétiques alignés avec le champ H Résistance élevée Résistance faible

  9. Energie (eV) Energie (eV) Energie (eV) STRUCTURE DE BANDE ELECTRONIQUE ET MRG Matériaux les plus favorables à la MRG Densité d’états électroniques des bandes 3d Clusters magnétiques Proba de diffusion des e 4s vers un état 3d Matrice conductrice Cu

  10. Pureté de la matrice de Cu Réduire la diffusion due aux impurétes et aux défauts Traitements thermiques Suffisamment faible pour avoir des particules monodomaines ferromagnétiques Taille des particules magnétiques Doit être comparable au libre parcours moyen des électrons Paramètres intrinsèques déterminant dans le mécanisme de MRG Optimisation des paramètres Suffisamment faible pour permettre la diffusion des électrons de particule en particule Distance entre les particules Pas trop faible, sinon interaction entre particules Composition Nombre de particules Suffisant pour assurer un bon taux de diffusion MICROSTRUCTURE ET MRG Paramètres expérimentaux liés à l’élaboration du composé

  11. Cu Caractérisation des propriétés structurales, magnétiques et magnétorésistives Diffraction de rayons X Spectrométrie Mössbauer Microscopie électronique Mesures d’aimantation Mesures de résistivité OBJECTIF DE L’ETUDE Elaborer des alliages granulaires Cu80Fe20 , Cu80(Fe-Co)20 et Cu80(Fe-Ni)20 Fe ou Fe100-xCox ou Fe100-xNix Broyage mécanique à haute énergie Approfondir les corrélations entre propriétés structurales, magnétiques et de transport

  12. II – ALLIAGES GRANULAIRES Cu80Fe20-xCox ALLIAGES GRANULAIRES Cu80Fe20-xCox X=0,6

  13. ELABORATION Principe d’élaboration des alliages granulaires Immiscibilité du Fe et Co avec Cu Techniques d’élaboration -Trempe rapide sur roue Rubans Hypertrempés - Evaporation Films minces sur substrats de verre - Mécanosynthèse Poudres Traitements thermiques Séparation de phase Obtention de "solutions solides " sursaturée Cu-Fe ou Cu-Fe-Co

  14. 5 billes Poudres initiales ex: Cu+Fe Jarres en acier chromé (80ml) W W W = 300 rpm Déformations plastiques Phénomènes de fracture Phénomènes de soudure Granulométrie des poudres broyées Chocs : billes-billes billes-paroi LE BROYAGE MECANIQUE Pulverisette P5 Fritsch

  15. LE BROYAGE MECANIQUE Elaboration des composés Cu80Fe20 et Cu80(Fe0,7Co0,3)20 Broyage de poudres Fe+Cu Cu80Fe20 (1) Broyage de poudres Fe+Cu+Co Pulverisette P5 300 trs/min Cu80Fe14Co6 = Cu80 (Fe0,7Co0,3)20 Pré-alliage de Fe70Co30 par broyage Mélange de poudres Cu+Fe70Co30 (2)

  16. CARACTERISATION STRUCTURALE: Alliage Cu80Fe20 Broyage de poudres Fe+Cu Cu80Fe20

  17. Morphologie: Alliage Cu80Fe20 Broyé 1h30 Broyé 6h00 Broyé 21h00 Broyé 21h00 Augmentation de la taille des particules (soudures) puis diminution (fractures)

  18. Morphologie: Alliage Cu80Fe20 Une particule de poudre est un agglomérat de petites particules (Phénomènes de soudure)

  19. Evolution des phases pendant le broyage Décalage des pics de Cu Disparition des pics de -Fe (totale après 6h de broyage) Elargissement des pics de Cu Formation d’une phase Cu-Fe (CFC) Augmentation du paramètre de maille Mise en solution du Fe dans Cu Réduction de la taille des cristallites Introduction de contraintes dans le réseau CARACTERISATION STRUCTURALE: Alliage Cu80Fe20 Analyses par diffraction de RX Cu80Fe20 Fe 9h00 6h00 4h30 3h00 1h30 ? Après 20h de broyage : Une phase riches en Cu de structure CFC Taille de grains: 10-12nm Solution solide Cu-Fe

  20. Evolution des phases pendant le broyage 1h30 Phase Cu-Fe ; Particules -Fe superparamagnétiques 3h00 6h00 CARACTERISATION STRUCTURALE: Alliage Cu80Fe20 Analyses par spectrométrie Mössbauer Cu80Fe20 Sextuplet Fe dans un environement magnétique : Phase de -Fe Doublet Fe dans un environement paramagnétique singulet Phase de -Fe Phase paramagnétique Phase magnétique -Fe Bhf Cu80Fe20 Temps de broyage (h) Temps de broyage (h) Disparition de la phase magnétique -Fe totale après 12h de broyage Diminution du champ hyperfin présence de Cu dans -Fe Formation d’une phase paramagnétique Cu-Fe riche en Cu + particules riches en Fe superparamagnétiques

  21. CARACTERISATION STRUCTURALE: Alliage Cu80Fe14Co6 (Cu+Fe+Co) Cu80Fe14Co6 Cu80 (Fe0,7Co0,3)20 Broyage de poudres Fe+Cu+Co

  22. Jarres et bille en acier chromé Cr et C Sable de nettoyage Si Morphologie et composition chimique Cu80Fe14Co6: Cu+Fe+Co Eléments de pollution : Cu75Fe18Co7 Broyé 20h Plaquettes >100m + La majorité, "Patatoïdes" <100m Spectre EDX

  23. Evolution des phases pendant le broyage Disparition des pics de -Fe et de Co (hcp) Elargissement des pics de Cu Décalage des pics de Cu CARACTERISATION STRUCTURALE: Alliage Cu80Fe14Co6 (Cu+Fe+Co) Analyses par diffraction de RX Cu80Fe14Co6: Cu+Fe+Co Formation d’une phase Cu-Fe-Co (CFC) Augmentation du paramètre de maille Réduction de la taille des crystallites Introduction de contraintes dans le réseau ? Après 20h de broyage : Une phase riches en Cu de structure CFC Taille de grains: 10-12nm Solution solide Cu-Fe-Co

  24. Evolution des phases pendant le broyage 3h00 20h CARACTERISATION STRUCTURALE: Alliage Cu80Fe14Co6 (Cu+Fe+Co) Analyses par spectrométrie Mössbauer Cu80Fe14Co6: Cu+Fe+Co Résultats identiques à ceux obtenus avec Cu80Fe20 La phase Fe70Co30 ne se forme pas pendant le broyage Formation d’une phase paramagnétique Cu-Fe-Co riche en Cu + particules riches en Fe superparamagnétiques

  25. Prolongement du temps de broyage CARACTERISATION STRUCTURALE: Alliage Cu80Fe14Co6 (Cu+Fe+Co) Cu80Fe14Co6: Cu+Fe+Co broyé 84h CoFe2O4 Tailles des grains de la matrice Cu : 10-12 nm Apparition d ’un oxyde CoFe2O4 Réduction et homogèneïsation de la taille des particules de poudre

  26. Cu80Fe14Co6 Cu80 (Fe0,7Co0,3)20 Fe70Co30+Cu Fe+Co CARACTERISATION STRUCTURALE: Alliage Cu80Fe14Co6 (Cu+FeCo)

  27. Analyses RX 3h Fe Fe Analyses Mössbauer Fe Bhf 6h Bhf = 36T  (°) CARACTERISATION STRUCTURALE: Alliage Cu80Fe14Co6 (Cu+Fe+Co) Pré-broyage du composé Fe70Co30 Formation d’une phase Fe70Co30

  28. Evolution des phases pendant le broyage Cu80Fe14Co6: Cu+ Fe70Co30 Cu CARACTERISATION STRUCTURALE: Alliage Cu80Fe14Co6 (Cu+FeCo) Analyses par diffraction de RX Disparition progressive des pics de Fe70Co30 Après 30h de broyage, le pic (111) de Fe70Co30 est encore visible Elargissement des pics de Cu Après 30h de broyage : matériaux biphasé Phase CFC riche en Cu + phase CC Fe70Co30

  29. Evolution des phases pendant le broyage 20h 30h CARACTERISATION STRUCTURALE : Alliage Cu80Fe14Co6 (Cu+FeCo) Analyses par spectrométrie Mössbauer Cu80Fe14Co6: Cu+Fe70Co30 55% de phase Fe70Co30 45% de phase paramagnétique Cinétique de dissolution de Fe et Co différente de Cu+Fe+Co Différence des enthalpies de mélange 32% de phase Fe70Co30 HCu+Fe70Co30 > HCu+Fe+Co 67% de phase paramagnétique 1% de -Fe

  30. Décalage des pics de Cu Apparition des pics de -Fe Précipitation des clusters magnétiques Affinement des pics Diminution du paramètre de maille On retrouve le paramètre du Cu Augmantation de la taille des crystallites Relachement des contraintes CARACTERISATION STRUCTURALE : Traitements thermiques Traitements thermiques de 1h aux température 400, 450, 520 et 650°C Analyses par diffraction de RX Cu80Fe20 Formation d’un alliage granulaire: matrice de Cu + clusters magnétiques de -Fe

  31. Composante centrale Sextuplet correspondant à Fe70Co30 Particules superparamagnétiques CARACTERISATION STRUCTURALE : Traitements thermiques Analyses par spectrométrie Mössbauer Cu80Fe14Co6: Cu+Fe+Co Précipitation de Fe70Co30 Cu80Fe14Co6 broyé 20h Cu80Fe14Co6 broyé 20h recuit 1h à 520°C Formation d’un alliage granulaire: matrice de Cu + clusters magnétiques de -Fe70Co30

  32. M(emu/g) 3/ Montée en température (5k 300K) 4/ Descente en température (300k 5K) T(K) PRORIETES MAGNETIQUES Courbes d ’aimantation M(H) : Cycles d ’hystérésis Courbes d ’aimantation ZFC/FC Courbes d ’aimantation ZFC/FC 1/ Echantillon refroidi à 5K (H=0) 2/ Application d ’un champ faible (15-100 Oe) Mesures de M(T) Mesures de M(T) Existence de particules superparamagnétiques Large distribution de taille du type log-normale Mise en évidencede: - Relaxations superparamagnétiques - Phénomènes de verres de spin

  33. Comportement verres de spin-réentrant Fe et Co dans Cu + interactions PRORIETES MAGNETIQUES : Poudres broyées Courbes d ’aimantation ZFC/FC Tc Cu80Fe20 Broyé 20h Tg Comportement verres de spin-réentrant Dilution de Fe dans Cu + interactions Tc Tg Cu80Fe14Co6 Cu+Fe+Co broyé 20h Irréversibilité jusqu’à 300K Particules superparamagnétiques Fe et Co + distribution de taille log-norm Irréversibilité jusqu’à 300k Cu80Fe14Co6 Cu+Fe70 Co30 broyé 30h Particules superparamagnétiques Fe70Co30 + distribution de taille log-norm Comportement verres de spin

  34. 5K 125K M (emu/g) 300K B(T) PRORIETES MAGNETIQUES : Poudres broyées Courbes d ’aimantation M(H) : Cycles d ’hystérésis Cu80Fe14Co6: Cu+Fe+Co broyé 20h A 300 K, Hc=0, comportement superparamagnétique Existence d’une composante ferromagnétique A 125 K, Hc=5 Oe, A 5 K, Hc=600 Oe, Gel collectif des spins et blocage des particules superparamagnétiques Pas de saturation à 6T

  35. M  L(x)=coth(x) -1/x avec PRORIETES MAGNETIQUES : Poudres broyées Ajustement théorique de courbes d ’aimantation M(H) M(emu/g) Points expérimentaux Courbe calculée H(Oe) T = 300K Cu80Fe14Co6: Cu+Fe+Co broyé 20h 3 contributions superparamagnétiques: 1=8000 b 2=500 b Particules superparamagnétiques de 0.5 à 5nm 3=50 b

  36. M(emu/g) T(K) M(emu/g) T(K) PRORIETES MAGNETIQUES : Poudres recuites Courbes d ’aimantation ZFC/FC Cu80Fe14Co6: Cu+Fe+Co 20h Précipitation de particules superparamagnétiques + distribution de taille log-normale Recuit 1h à 450°C Augmentation de la taille des particules Recuit 1h à 550°C

  37. III- MISE EN FORME PAR COMPACTAGE MISE EN FORME PAR COMPACTAGE

  38. V MISE EN FORME PAR COMPACTAGE Pourquoi compacter ? Etude des propriétés de transport Etude structurale en sonde atomique 3D Mesures de magnétorésistance Méthode à 4 points Préparation de pointes Pastille de poudre compactée I H I Echantillon compacté Bâtonnets 4 plots de soudure nanovoltmètre U = R . I R(H) Pastille les plus denses possibles

  39. Piston Pastille MISE EN FORME PAR COMPACTAGE (Travail en cours) Le compactage uniaxiale à froid Pré-compactage à 12Tavec une pastilleuse commerciale (LATSM) Poudres broyée 13mm 2mm Pastille Pressage jusqu’à 70 -80T avec une presse hydraulique (Xavier Sauvage, INSA) 70 - 80T

  40. Pastille de Cu80Fe14Co6: Cu+Fe+Co 20h (12T) Pastille de Cu pur (8T) MISE EN FORME PAR COMPACTAGE (Travail en cours) 1er résultats Echantillons très poreux Echantillons relativement fragile Utilité d’un second pressage à 80T Compactage HIP (compactage isostatique à chaud)

  41. IV- CONCLUSION ET PERSPECTIVES CONCLUSION ET PERSPECTIVES

  42. Broyage des poudres Cu+Fe et Cu+Fe+Co RX + Mössbauer Formation d’alliages paramagnétique nanostructuré (CFC) riche en Cu Mesures d’aimantation Fe et Co dissout dans le Cu + particules de Fe et Co superparamagnétiques Formation de "solutions solides " métastables Cu-Fe et Cu-Fe-Co hétérogènes dans lesquelles subsistent des clusters superparamagnétiques Broyage du mélange Cu+Fe70Co30 RX + Mössbauer Après 30h de broyage, matériaux biphasés : - Phase CFC riche en cuivre paramagnétique - Phase CC Fe70Co30 Mesures d’aimantation Dissolution de Fe et Co dans Cu beaucoup moins importante + présence de particules Fe70Co30 superparamagnétiques Dispersion de nanoparticules de Fe70Co30 superparamagnétiques dans la matrice de Cu + dilution partielle de Fe et Co Traitements thermiques Démixtion et précipitation de clusters magnétiques -Fe et -Fe70Co30 Purification de la matrice de Cu CONCLUSION Conditions de recuit (température et durée) = optimisation des propriétés magnétorésistives

  43. Appronfondir la caractérisation structurale - Répartition des précipités dans la matrice de Cu Microscopie électronique : T.E.M - Distribution de taillles Diffusion centrale de RX (Réné anthore) (en cours) Caractérsation des nano-particules superparamagnétiques existantes dans les solutions solides Sonde atomiques 3D Caractérisation des propriétés de transport Caractérisation des propriétés de transport Etude des propriétés magnétorésistives Addition de BN dans le broyage Cu+Fe (en cours) Modification de la granulométrie Idée: nitruré le Fe pour formé des clusters magnétiques Fe4N Modification de la dissolution de Fe dans Cu Elaboration et étude du composé Cu80Ni15Fe5 Dispersion de clusters Ni3Fe dans une matrice de Cu Ni3Fe : structure CFC, cohérente avec la matrice de Cu Structure de bande électronique favorable à la MRG PERSPECTIVES

More Related