Étude sur la transition de phase ferromagnétique/paramagnétique de nanoagrégats de MnP

La transition de phase entre les états ferromagnétique et paramagnétique de structures composées de nanoagrégats de MnP est ici étudiée. Il a été démontré auparavant que des épicouches de nanoagrégats magnétiques de MnP imbriqués dans une matrice semiconductrice de GaP (GaP:MnP) possèdent une aimantation rémanente au-delà de la température de Curie TC de 291 K du MnP massif. La provenance de cet écart, résultant en un décalage dans la courbe d'aimantation spontanée vers des températures plus élevées, n'est pas tout à fait connue. Plusieurs échantillons ont été fabriqués afin d'analyser qualitativement l'effet des contraintes induites par la matrice de GaP et de la réduction de la taille des nanoagrégats sur cette transition de phase ferromagnétique/paramagnétique: 1) GaP:MnP crus à 600, 650 et 700◦C sur des substrats de GaP(001), 2) couches minces de MnP polycristallines d´eposées sur des substrats de GaP(001) à 550, 600, 650 et 700◦C, 3) couche mince de MnP polycristalline d´eposée sur du verre à 600◦C, 4) nanoagrégats de MnP créés par ablation laser encastrés dans une matrice de polystyrène (Ps:MnP) et 5) monocristal de MnP massif emprunté de chercheurs de l'Université Carnegie Mellon. Le MnP massif sert d'étalon lors de la détermination des températures de Curie. Les Ps:MnP ont été fabriqués par l'ablation par laser femtoseconde avec des puissances de 100, 160, 175 et 200 mW de couches minces de MnP d´eposées sur verre ainsi qu'avec une puissance de 200 mW sur un monocristal , créant différentes distributions de taille et de forme des nanoagrégats. La géométrie, la composition et la structure cristalline de ces nouveaux types de matériau ont été vérifiées par XRD, SEM, TEM et EDS. Les températures de Curie de ces échantillons ont été déduites par cinq méthodes expérimentales. La première, probablement la plus usuelle et la plus citée de toutes, est la méthode du point d'inflexion. Un champ magnétique est appliqué et la température est graduellement variée. TC est établie comme étant la température où un point d'inflexion est présent dans la courbe d'aimantation résultante. La deuxième est la méthode de Smith qui d´etermine l'aimantation spontanée par des courbes d'aimantation isothermiques selon l'axe facile d'un échantillon. L'aimantation spontanée est alors le point où la courbe quitte la droite initiale de désaimantation causée par le mouvement des parois de domaine. L'aimantation spontanée en fonction de la température est ensuite utilisée pour trouver la transition de phase puisqu'elle atteint théoriquement une valeur nulle de manière abrupte à TC. La méthode d'Arrott se sert de la partie linéaire des aimantations élevées au cube en fonction du champ appliqué pour plusieurs températures afin de déterminer TC. L'isotherme dont l'extrapolation des points suivant une droite passe part l'origine est la température de Curie. Quatrièmement, l'aiman

Abstract

The phase transition between the ferromagnetic and paramagnetic states, occurring at the Curie temperature TC, of samples composed of MnP nanoaggregates has been studied. It has been shown previously that MnP magnetic nanoaggregates embedded in GaP semiconductive epilayers (GaP:MnP) present a remanent magnetization above the Curie temperature of bulk MnP, generally accepted as 291 K. The reason for this increase, resulting in a shift toward higher temperatures in the spontaneous magnetization curve, is however not well understood. A range of samples presenting a certain distribution of strain induced by the matrix and of size of the aggregates were produced for the study of these effects on TC: 1) GaP:MnP grown at 600, 650 and 700◦C, 2) polycrystalline MnP thin layers deposited at 550, 600, 650 and 700 ◦C on GaP(001) substrates, 3) a polycrystalline MnP thin layer grown at 600◦C on glass, 4) laser ablated MnP nanoaggregates in a polystyrene matrix (Ps:MnP) and 5) monocrystalline bulk MnP kindly lent by researchers at Carnegie Mellon University. The bulk MnP was used as a reference during the Curie temperature determination. Ps:MnP was produced by femtosecond laser ablations with powers of 100, 160, 175 and 200 mW from MnP films grown on glass, and at 200 mW from bulk MnP, resulting in different size and form distributions. The geometry, composition, crystalline structure and aggregate size distribution of these novel materials were analyzed by XRD, SEM, TEM and EDS. The Curie temperatures of the samples were obtained from the systematic application of five different experimental methods. The first, probably the simplest and most quoted in the research literature, is based on the inflection point in the curve of the magnetization in an applied field vs temperature occurring approximately at TC. The second is Smith's method which determines the spontaneous magnetization from isothermical magnetization curves with the magnetic field applied in the easy axis direction. The spontaneous magnetization is then defined by the point where the curve branches off the initial linear demagnetization slope caused by the movement of the domains walls. The curve of the spontaneous magnetization as a function of the sample temperature, theoretically falling abruptly at TC for bulk materials, is then used to find the phase transition. The third, Arrott's method, is based on an expansion of the magnetization as a function of the internal field in the vicinity of TC. The predicted linear relationship between the third power of the magnetization as a function of the field will pass through the origin for the isotherm corresponding to TC. The fourth one is based on the easy axis fallback remanence method, a new way to determine the effective spontaneous magnetization of monodomain samples. The last uses from the magnetocaloric effect, in which a local extremum of entropy change at the transition temperature is expected for a