Influence de la température et des fortes pressions sur les propriétés structurales et physiques de composés du Fer à Ordre de Charge – COFeIn

Le projet peut se décomposer en plusieurs volets :
- synthèse et caractérisations de borates et de phosphates de fer présentant des valences mixtes sur la base de la littérature et de nos expériences de chimistes du solide, en cherchant à mettre en évidence des propriétés inusuelles (et entre autres de multiferroïcité),
- exploration de nouveaux systèmes, toujours sur une base « Fe, P, B, O », pour isoler de nouveaux composés et en caractériser les structures et les propriétés,
- suivi de l’évolution (structurale et des propriétés) des matériaux en fonction de la température, du champ magnétique et aussi des hautes pressions.
Les échantillons ont été synthétisés par voies solide ou hydrothermale. Un large panel de techniques de laboratoire et grands instruments a été mis en œuvre pour une description la plus détaillée et la plus complète possible de l’état structural, micro structural et des propriétés des matériaux.
Ce travail de cristallochimie vise à établir des relations entre structures et propriétés (magnétiques et électriques principalement) des composés étudiés. Ceci a autant d’intérêt du point de vue fondamental que pour l’optimisation des propriétés en vue des applications potentielles.

Les travaux réalisés dans le cadre de ce projet ont permis de mettre en évidence des comportements jusque-là inédits dans certains phosphates et borates de fer. Les synthèses réalisées par voie hydrothermale ont mené à l’obtention de plusieurs hydroxyphosphates de fer à valence mixte non prévus initialement dans le projet, mais dont l’étude s’est révélée intéressante. Les substitutions du fer par d’autres cations (Cu, Mn) dans l’oxyborate Fe3BO5 ont conduit à de nouveaux matériaux qui ont été étudiés de façon approfondie afin de mieux comprendre l’influence de la substitution cationique sur les propriétés physiques.

Ce projet, pour lequel nous n’avions encore jamais préparé de matériaux, s’est révélé très intéressant et même prometteur : le choix du type de composés à base de fer sur le critère d’ordre des charges (et frustration dans une moindre mesure) était pertinent puisqu’il a permis d’obtenir de nouveaux composés ainsi que certaines des propriétés désirées mais aussi d’ouvrir de nouvelles perspectives, aussi bien sur les types de matériaux (hydroxyphosphates, phosphites) que sur les propriétés étudiés (électrochimiques par exemple). Il est donc évident que cette étude va être prolongée dans les prochaines années et plusieurs demandes de soutien ont d'ailleurs été faites (PICS, ANR) dans cette optique.

Les résultats obtenus ont été diffusés sous différentes formes : articles dans des revues internationales ACL (2 parus, 1 soumis, 5 en préparation), communications orales ou par affiches dans des manifestations scientifiques internationales, nationales ou régionales (dont deux distinguées par des prix), manuscrit de thèse du doctorant financé par le projet, actions de diffusion sous forme d’un site internet ainsi que d’un article et d’une conférence de vulgarisation.

Ce projet concerne la préparation et l’étude d’oxydes de fer (sous forme poly- et monocristalline) présentant de l’ordre des charges, combinant les degrés d’oxydation +2 et +3.
En effet, l’ordre des charges dans les oxydes de métaux de transition est un paramètre fondamental pour l’obtention de propriétés magnétiques et/ou électriques originales. Cela a été largement démontré dans le cadre des études sur la magnétorésistance colossale dans les perovskites de manganèse et il apparaît à nouveau comme à l’origine de la ferroélectricité dans CaMn7O12 ou LuFe2O4.
Notre projet se décompose en plusieurs volets :
- Nous avons choisi de revisiter les systèmes «des borates et des phosphates de fer » présentant des valences mixtes sur la base de la littérature et de nos expériences de chimistes du solide dans ce domaine, en cherchant à mettre en évidence des propriétés inusuelles (et entre autres de multiferroïcité).
- Le deuxième axe de recherche est plus créatif et concerne l’exploration de nouveaux systèmes, toujours sur une base « Fe, P, B, O », pour isoler de nouveaux composés dont nous caractériserons les structures et les propriétés.
- L’évolution (structurale et des propriétés) des matériaux sera suivie en fonction de la température, du champ magnétique et aussi des hautes pressions. Non seulement ce dernier facteur permet l’obtention de nouveaux diagrammes de phases, mais il peut conduire à la stabilisation de nouveaux édifices cristallins, et donc à de nouvelles propriétés. Cet effet a déjà été illustré de façon convaincante dans le cas de composés à ordre des charges, avec l’apparition d’une transition structurale irréversible dans LuFe2O4. Un large panel de techniques de laboratoire et grands instruments sera mis en œuvre pour une description la plus détaillée et la plus complète possible de l’état structural, micro structural et des propriétés de nos matériaux.
- Ce travail de cristallochimie a pour but d’établir des relations entre les structures et les propriétés (magnétiques et électriques principalement) de nos composés. Ceci a autant d’intérêt du point de vue fondamental que pour l’optimisation des propriétés pour de potentielles applications.