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Influence de la composition et de l’ordre atomique sur le magnétisme d’aimants Fe-Pt

La recherche fondamentale sur les matériaux magnétiques permet d’obtenir des aimants aux propriétés exceptionnelles et d’envisager de nouvelles applications : moteur ou capteur miniatures, stockage dans les disques durs d’ordinateurs… Pour maîtriser ces matériaux, il est nécessaire de dominer leur élaboration et de comprendre leurs propriétés physiques.

Les alliages entre le fer et le platine sont connus depuis des décennies mais leurs propriétés magnétiques sont encore l’objet d’intenses recherches. Parmi ceux-ci, les alliages dont les concentrations en fer et platine sont proches, peuvent cristalliser dans deux phases différentes : une phase désordonnée (les atomes de fer et ceux de platine sont repartis de façon aléatoire sur le même site cristallographique), dénommée A1, et une phase ordonnée L10, représentés sur la figure 1 qui peut être vue comme une succession alternée de plans atomiques de platine et de fer. Cette structure particulière confère au composé des propriétés magnétiques hors du commun qui le classent dans la catégorie des aimants les plus puissants. A l’état de couches minces, ces matériaux sont des candidats prometteurs comme média pour l’enregistrement de l’information à ultra haute densité…. Ceci peut être surprenant si l’on considère que le matériau Fe-Pt n’est composé qu’à 50% d’atomes magnétiques. La découverte des performances de ces composés a relancé l’intérêt pour leur étude, ceci d’autant plus que leurs propriétés et comportements ne sont pas suffisamment compris. Ainsi la température de mise en ordre des moments magnétiques dite température de Curie, mais aussi l’anisotropie magnétique (propriété caractérisant le fait que les moments s’orientent selon une direction privilégiée) sont très sensibles au degré de mise en ordre des atomes Fe et Pt ; à l’inverse, l’aimantation macroscopique est généralement décrite comme étant (à composition fixe) largement indépendante du degré d’ordre. Dans une étude de diffraction neutronique, menés en collaboration avec une équipe de l’IFW Dresden (Allemagne), nous avons analysé l’influence de la mise en ordre des atomes Fe et Pt et celle d’une variation relative de la teneur en ces deux éléments, sur les propriétés magnétiques d’alliages Fe-Pt. En effet les neutrons, particules neutres, peuvent être utilisés pour traverser la matière en profondeur. Ils donneront alors une information sur les positions des atomes dans le cristal (la mise en ordre) mais porteur eux même d’un moment magnétique, ils permettront également de déterminer le moment magnétique à l’échelle atomique. Alors que l’aimantation (propriété macroscopique) de ces alliages est peu sensible au degré de mise en ordre atomique, notre étude à l’échelle microscopique a révélé au contraire que les moments magnétiques atomiques du fer et du platine diminuent lorsque la concentration en fer augmente.
Ce résultat n’est pas habituel, en général une réduction de la teneur en fer, dans des alliages avec un élément non magnétique (par exemple l’aluminium), entraîne une réduction des moments magnétiques portés par les atomes de fer. Nos résultats expérimentaux ont été confirmés par des calculs théoriques de structures électroniques. Dans le composé Fe59Pt41 la réduction substantielle du moment magnétique du fer par rapport au composé stoechiométrique Fe50Pt50 a pu être associée au plus faible volume de la maille de ces composés. En outre, les calculs de structures électroniques ont montré que le désordre atomique avait deux effets antagonistes sur le magnétisme : d’un côté, le désordre chimique entre les atomes de fer et de platine entraîne une diminution de la densité électronique au niveau de Fermi, à laquelle correspond une réduction du moment magnétique des atomes de fer ; d’un autre côté, le désordre atomique conduit à une augmentation du volume de la maille cristallographique et la plus forte localisation des électrons 3d, porteurs du magnétisme, qui en résulte favorise une valeur supérieure du moment magnétique sur les atomes de fer. Selon la composition et le degré de mise en ordre des atomes, le moment magnétique à 0° Kelvin peut varier de 2,45μB à 2,9μB. Pour un composé ordonné Fe59Pt41 les deux effets cités ci-dessus se compensent et le magnétisme est peu sensible à la composition en fer. Les composés présentant les meilleures performances sont les composés Fe-Pt équiatomiques bien ordonnés dans la phase L10 : ils combinent forte aimantation et température de Curie élevée.
Structures des alliages FePt
Fig. 1:Arrangement atomique des alliages Fe-Pt dans l’état désordonné A1 (à gauche) et ordonné L10 (à droite). Les couleurs indiquent la nature différente Fe ou Pt des atomes dessinés.
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