Etude de la coexistence du magnétisme et de la ferroélectricité dans les composés multiferroïques

Manuscrit de la thèse. Résumé : Certains matériaux multiferroïques présentent simultanément un ordre magnétique et ferroélectrique. Dans certains de ces composés, les deux paramètres d’ordre sont couplés et l’application d’un champ magnétique peut réorienter la polarisation électrique. Cette interaction est appelée « couplage magnétoélectrique » et rend ces composés particulièrement attractifs d’un point de vue fondamental et technologique. Nous avons élaboré des monocristaux de BiFeO₃ et Bi_0.45Dy_0.55FeO₃ par une technique de croissance en flux. Nous présentons une étude détaillée de leurs propriétés physiques et montrons que les deux composés sont ferroélectriques à température ambiante. La résistivité élevée des cristaux de BiFeO₃ nous a permis de mesurer une forte polarisation spontanée de 100 C/cm², proche de la valeur théorique. Comme l’existence d’une structure magnétique cycloïdale interdit un effet magnétoélectrique linéaire dans ce composé, nous avons choisi de substituer Bi par Dy et d’étudier le composé Bi_0.45Dy_0.55FeO₃. Les premiers résultats obtenus sur ce composé sont présentés et comparés avec les propriétés magnétiques et électriques de BiFeO₃. Enfin, l’étude magnétoélectrique à température ambiante par diffraction de neutrons sur un monocristal de BiFeO₃ est également présentée. Nous montrons que l’application d’un champ électrique conduit à une modification notable des domaines ferroélectriques, ferroélastiques et antiferromagnétiques. En particulier, nous mettons en évidence à température ambiante un couplage entre les domaines antiferromagnétiques et la polarisation électrique dans le composé multiferroïque BiFeO₃.

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Coexistence of ferroelectricity and magnetism in the multiferroic compounds BiFeO₃ and Bi_0.45Dy_0.55FeO₃ Abstract : Some multiferroic materials display simultaneous ferroelectric and magnetic order. In some of these compounds, both order parameters are coupled and applying a magnetic field can reorientate the electric polarization. This interaction is called « magnetoelectric coupling » and makes these compounds very interesting not only at a fundamental level but also for their potential application. We have synthesized single crystals of BiFeO₃ and Bi_0.45Dy_0.55FeO₃ by a flux grow method. We present a detailed study of their physical properties and show that the two compounds are ferroelectric at room-temperature. The high resistivity of the BiFeO₃ single crystals allows us to measure a large spontaneous polarization of 100 μC/cm², as theoretically predicted. As the observation of a linear magnetoelectric effect is forbidden in this compound due to the presence of the cycloid, we have chosen to substitute Bi by Dy to also study the Bi_0.45Dy_0.55FeO₃ compound. The first results on this compound are presented by comparison with magnetic and electric properties of BiFeO₃. Finally, the magnetoelectric study at room temperature by neutron diffraction on a single crystal of BiFeO₃ is presented. We show that the application of electric fields leads to a deep transformation of ferroelectric, ferroelastic and antiferromagnetic domains. In particular, we provide room-temperature evidence for the coupling between magnetization and electric polarization in the BiFeO₃ multiferroic compound.

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