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

Nicolas Schmidt

Master's thesis (2011)

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Abstract

The phase transition between the ferromagnetic and paramagnetic states, occurring at theCurie temperature TC, of samples composed of MnP nanoaggregates has been studied. It hasbeen shown previously that MnP magnetic nanoaggregates embedded in GaP semiconductiveepilayers (GaP:MnP) present a remanent magnetization above the Curie temperature of bulkMnP, generally accepted as 291 K. The reason for this increase, resulting in a shift towardhigher 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 ofsize of the aggregates were produced for the study of these effects on TC: 1) GaP:MnP grownat 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) monocrystallinebulk MnP kindly lent by researchers at Carnegie Mellon University. The bulk MnP wasused as a reference during the Curie temperature determination. Ps:MnP was produced byfemtosecond laser ablations with powers of 100, 160, 175 and 200 mW from MnP films grownon 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 thesenovel materials were analyzed by XRD, SEM, TEM and EDS.The Curie temperatures of the samples were obtained from the systematic application offive different experimental methods. The first, probably the simplest and most quoted in theresearch literature, is based on the inflection point in the curve of the magnetization in anapplied field vs temperature occurring approximately at TC. The second is Smith's methodwhich determines the spontaneous magnetization from isothermical magnetization curveswith the magnetic field applied in the easy axis direction. The spontaneous magnetization isthen defined by the point where the curve branches off the initial linear demagnetization slopecaused by the movement of the domains walls. The curve of the spontaneous magnetization asa 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 expansionof the magnetization as a function of the internal field in the vicinity of TC. The predictedlinear relationship between the third power of the magnetization as a function of the fieldwill pass through the origin for the isotherm corresponding to TC. The fourth one is based onthe easy axis fallback remanence method, a new way to determine the effective spontaneousmagnetization of monodomain samples. The last uses from the magnetocaloric effect, inwhich a local extremum of entropy change at the transition temperature is expected for a

Résumé

La transition de phase entre les états ferromagnétique et paramagnétique de structurescomposées de nanoagrégats de MnP est ici étudiée. Il a été démontré auparavant que desépicouches de nanoagrégats magnétiques de MnP imbriqués dans une matrice semiconductricede GaP (GaP:MnP) possèdent une aimantation rémanente au-delà de la température de CurieTC de 291 K du MnP massif. La provenance de cet écart, résultant en un décalage dans lacourbe d'aimantation spontanée vers des températures plus élevées, n'est pas tout à faitconnue. Plusieurs échantillons ont été fabriqués afin d'analyser qualitativement l'effet descontraintes induites par la matrice de GaP et de la réduction de la taille des nanoagrégatssur 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 polycristallinesd´eposées sur des substrats de GaP(001) à 550, 600, 650 et 700◦C, 3) couche mince de MnPpolycristalline d´eposée sur du verre à 600◦C, 4) nanoagrégats de MnP créés par ablationlaser encastrés dans une matrice de polystyrène (Ps:MnP) et 5) monocristal de MnP massifemprunté de chercheurs de l'Université Carnegie Mellon. Le MnP massif sert d'étalon lorsde la détermination des températures de Curie. Les Ps:MnP ont été fabriqués par l'ablationpar laser femtoseconde avec des puissances de 100, 160, 175 et 200 mW de couches minces deMnP d´eposées sur verre ainsi qu'avec une puissance de 200 mW sur un monocristal , créantdifférentes distributions de taille et de forme des nanoagrégats. La géométrie, la compositionet 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 méthodedu point d'inflexion. Un champ magnétique est appliqué et la température est graduellementvariée. TC est établie comme étant la température où un point d'inflexion est présent dansla courbe d'aimantation résultante. La deuxième est la méthode de Smith qui d´eterminel'aimantation spontanée par des courbes d'aimantation isothermiques selon l'axe facile d'unéchantillon. L'aimantation spontanée est alors le point où la courbe quitte la droite initiale dedésaimantation causée par le mouvement des parois de domaine. L'aimantation spontanée enfonction de la température est ensuite utilisée pour trouver la transition de phase puisqu'elleatteint théoriquement une valeur nulle de manière abrupte à TC. La méthode d'Arrott se sertde la partie linéaire des aimantations élevées au cube en fonction du champ appliqué pourplusieurs températures afin de déterminer TC. L'isotherme dont l'extrapolation des pointssuivant une droite passe part l'origine est la température de Curie. Quatrièmement, l'aiman
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: David Ménard, Rémo A. Masut
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/721/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 17 Feb 2012 15:13
Last Modified: 08 Nov 2022 20:19
Cite in APA 7: Schmidt, N. (2011). Étude sur la transition de phase ferromagnétique/paramagnétique de nanoagrégats de MnP [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/721/

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