Agrégats et surfaces sous excitations intenses – Collisions ion – couches minces à effet magnétocalorique géant

L’objectif de cette thématique est l’étude de l’interaction entre des ions lourds et des couches minces à effet magnétocalorique géant (EMCG) puis des modifications induites à long terme sur ces échantillons. L’EMCG est lié à une grande variation d’entropie associée à une transition de phase de premier ordre. Grâce à cette importante variation d’entropie par application d’un champ magnétique externe, les matériaux EMCG sont très intéressants pour leur utilisation dans la réfrigération magnétique, une nouvelle méthode alternative plus performante et plus respectueuse de l’environnement que les méthodes de réfrigération communément utilisées. Cependant, les applications sont actuellement limitées par deux facteurs :

1. la présence des phénomènes d’hystérésis liés à la transition de phase de premier ordre
2. la difficulté de varier de façon contrôlée la température où l’effet magnétocalorique est maximal.

Figure 1 : Gauche : Comparaison entre un cycle thermique de la réfrigération magnétique (cycle Brayton) et le cycle basé sur la compression/expansion de gaz communément utilisé. Droite : Le même cycle représenté sur le diagramme entropie-température.

Ces dernières années, nous avons découvert une méthode pour résoudre ces deux obstacles basés sur l’irradiation par ions lourds. Nous avons pu démontrer qu’il était possible de réduire et même d’éliminer complétement l’hystérésis de façon permanente tout en conservant les propriétés magnétocaloriques géantes de couches minces d’arséniure de manganèse [1, 2].

Dans les couches de fer-rhodium, nous avons également mis en évidence que la température de transition associée à l’EMCG peut être modulée simplement via la fluence des ions incidents sur l’échantillon [3].

Plus récemment, en modifiant l’énergie cinétique et le type d’ions, des informations précises sur la nature des défauts ont été obtenues. En particulier, nous avons démontré que la cause de la réduction de l’hystérésis sont les collisions induites et non les ions implantés [4].

D’autres types de matériaux à EMGC sont également en cours d’investigations avec des applications pour le développement de générateurs thermomagnétiques de nouvelle génération pour la récupération d’énergie thermique (ANR HyPerTherMag project).

Figure 2 : Gauche: suppression de l’hystérésis thermique par irradiation d’ions dans des couches minces de MnAs (champs appliqué de 1 T). Droite : Pic de l’entropie magnétique relatif à l’application d’un champ de 2 T sans et avec irradiation d’ions des échantillons.

 

Figure 3 : Déplacement de la température de transition par irradiation d’ions de différentes fluences dans des couches de minces de FeRh.

 

Collaborations

• INSP, équipe Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces (M. Marangolo)
• SATIE (M. Lo Bue)
• laboratoire CNRS / Thales (V. Garcia)

Depuis octobre 2018, cette recherche se développe dans le cadre du projet ANR HyPerTherMag.

 

Thèse soutenue

2017, Sophie Cervera, Manipulation des propriétés magnétiques de matériaux à effet magnétocalorique géant par impact d’ions lourds

 

Brevets

1. Trassinelli, S. Cervera, D. Vernhet, M. Marangolo, and V. Garcia, Procédé d’obtention d’un matériau à effet magnétocalorique géant par irradiation d’ions. 4 April, 2017

 

Publications 

1. M.Trassinelli, M. Marangolo, M. Eddrief, Victor H. Etgens, V. Gafton, et al.. Suppression of the thermal hysteresis in magnetocaloric MnAs thin film by highly charged ion bombardment. Applied Physics Letters, American Institute of Physics, 2014, 104 (8), pp.081906. ⟨10.1063/1.4866663⟩. ⟨hal-00944462⟩
2. M. Trassinelli, L Bernard Carlsson, S Cervera, M Eddrief, Victor H. Etgens, et al.. Low energy Ne ion beam induced-modifications of magnetic properties in MnAs thin films. Journal of Physics: Condensed Matter, IOP Publishing, 2016, 29 pp.055001 ⟨10.1088/1361-648X/29/5/055001⟩. ⟨hal-01390149⟩
3. S. Cervera, M. Trassinelli, M. Marangolo, C. Carrétéro, V. Garcia, et al.. Modulating the phase transition temperature of giant magnetocaloric thin films by ion irradiation. Physical Review Materials, American Physical Society, 2017, 1, pp.065402. ⟨10.1103/PhysRevMaterials.1.065402⟩. ⟨hal-01618401⟩
4. S. Cervera, M. LoBue, E. Fontana, M. Eddrief, V. H. Etgens, et al.. Mastering disorder in a first-order transition by ion irradiation. Physical Review Materials, American Physical Society, 2024, 8, pp.024406. ⟨10.1103/PhysRevMaterials.8.024406⟩. ⟨hal-04297524⟩