CE07 - Chimie moléculaire et procédés associés pour une chimie durable

Magnetoelectric Molecular Materials – MEMORi

MagnetoElectric MOlecular mateRIals

Magnetoelectric (ME) materials combine magnetization (M) and polarization (P) through cross-couplings M(E) and P(H) and provide starting materials for developing high-density data storage, spintronics and low consumption devices owing to the interplay between both properties. MEMORi aims to design and investigate original multifunctional ME molecular materials exhibiting strong cross-coupling.

Design and characterization of multifunctional magnetoelectric molecular materials

Designing magnetoelectric materials is far to be straightforward owing to the phenomenological origin of both magnetism and ferroelectricity which tends to exclude each other. In addition, one of the key questions for future development concerns the mutual coupling between both properties in order to be able to control one property by the other. The MEMORi proposal aims to design and investigate new and original multifunctional ME molecular materials exhibiting strong ME coupling with two main objectives: <br />i) The chemical design of molecular ferroelectric paramagnets of high chemical robustness based on the association between lanthanide ions and chiral Schiff base ligands. Efforts will be given to engineer systems exhibiting a high dielectric Tc or decomposition temperature with various shaping methods (single-crystals, molecular ceramics and thin films) that could eventually find subsequent applications. A specific stress will be given to develop methodologies to efficiently characterize the electric properties in order to comprehend the origins of the ferroelectricity in molecular complexes. <br />ii) Experimentally evidence the synergy and coupling between the magnetic and dielectric properties. Namely we expect to give the proof-of-concept that such strong interplay could be used to conceive device applications where stored-information is electrically detectable but controllable by magnetism and vice versa. Such results would represent a major breakthrough in the field of molecular and more generally in solid-state materials.

The general purpose consists in the chemical design and investigations of the physical properties of original ME molecular materials. To realize this study, the proposal is organized into three interconnected Tasks:
Task n°1 intends to design chiral molecular complexes based on lanthanide ions and various Schiff-base ligands.. Our objective will be to achieve a systematic analysis of the parameters that affect the ferroelectric properties (nature Ln3+ ions, ligands, space groups, solvents) and in fine the ME coupling. Three different shaping methods of the materials will be investigated for the electrical characterization (Task 2),: 1) single-crystals; 2) thin films obtained by spin or dip-coating on ITO substrates; 3) molecular ceramics obtained by using the Cool-Spark Plasma Sintering (SPS, Partner 2) method allowing the sintering of thermodynamically fragile materials at reasonable temperature (200-400°C) to allow for insightful dielectric and ME characterizations.
Task n°2 will involve the study of the individual properties of the resulting molecular architectures. The magnetic and photo luminescent properties will be studied by the scientific coordinator (Partner 1). Screening of the ferroelectric measurements at the macroscopic scale will be investigated by two parallel approaches: on single-crystals and thin-films by Partner 1 and on molecular ceramics by Partner 2. Following this, all the most promising systems, regardless of the shaping, will be investigated in details by Partner 2 by measuring the dielectric properties, pyroelectric currents and investigating the piezoelectric properties.
Task n°3 will be dedicated to the investigation of the ME coupling on the best performing materials obtained in Task 2 by measuring the magnetic field dependence of dielectric and pyroelectric properties (Partner 2).

From a synthetic point of view, new chiral Schiff base ligands have been prepared for the design of novel magnetoelectric complexes. A new polar complex NiYb has nevertheless been obtained and characterized and will be the subject of detailed study.
The large-scale synthesis of a ZnYb reference ferroelectric complex was developed for shaping studies at ICMB as well as for understanding magneto-electric coupling (task 3).
The first Cool-SPS shaping tests were conducted at the ICMCB. They established the range of experimental conditions tolerable by the ZnYb complex. This showed good stability under Cool-SPS conditions (high vacuum, uniaxial pressure, application of electrical power, etc.). These initial works suggest that the conditions favorable for the sintering of this complex by Cool-SPS are in the temperature and pressure range supported by this material. These first SPS experiments are encouraging for future dielectric studies, but it remains necessary to determine the optimal sintering conditions, ensuring both good densification and good reproducibility.

The first ferroelectric measurements have shown promising results, particularly in the form of large single crystals. Additional work is now necessary to determine in detail the parameters affecting the ferroelectric measurements (size of single crystals, crystal orientation, etc.) and thus to propose a reliable methodology.
The study of dielectric properties on molecular ceramics will begin soon (ICMCB). The recent availability of new cells dedicated to the measurement of dielectric properties, developed independently of the MEMORI project, will make it possible to carry out preliminary measurements on ceramics. These measurements will guide the selection of advanced dielectric measurement conditions (low temperature, under magnetic field, magnetoelectric measurements, etc.)

En cours

Les matériaux magnéto-électriques (ME) associent une aimantation (M) et une polarisation (P) à travers des couplages croisés M(E) et P(H) conduisant ainsi à des matériaux pour le développement de stockage de l’information haute-densité, la spintronique et des dispositifs basse-consommation grâce à l’interaction entre les deux propriétés. Modifier M ou P par l’application d’un champ magnétique ou électrique réduirait la consommation énergétique dans de nombreux dispositifs. Néanmoins, la conception de tels matériaux multifonctionnels est difficile de par l’origine phénoménologique des deux propriétés qui tendent à s’exclure mutuellement. De plus, une des questions fondamentales concerne le couplage dans le but de pouvoir contrôler une propriété par l’autre. A ce titre, la modification de la polarisation et de l’aimantation par application d’un champ électrique ou magnétique de faible magnitude représenterait une avancée majeure.

Alors que la grande majorité des matériaux ME appartiennent aux oxydes métalliques, nous proposons d'investiguer une famille originale de matériaux moléculaires ME qui n'ont jusqu'à présent été que très peu étudiés.
MEMORI est un projet fondamental au croisement de différentes disciplines impliquant la chimie de coordination et des matériaux, la photoluminescence et des études physiques dans le but de concevoir et d'étudier des matériaux ME moléculaires présentant un fort couplage entre propriétés. Il se propose d'amener des percées scientifiques par la compréhension des paramètres et mécanismes affectant les propriétés ferroélectriques et par l'étude de la synergie entre propriétés magnétiques et ferroélectriques. Jusqu’à présent, l’étude des propriétés électriques de matériaux moléculaires s’avère difficile de par la nécessité d’obtenir des échantillons denses pour obtenir des données pertinentes. Cela requiert de développer de nouvelles méthodologies adaptées pour les matériaux moléculaires. De plus, le projet se propose d’amener des percées à travers la compréhension des paramètres affectant la ferroélectricité jusqu’à l’étude de la synergie entre propriétés magnétiques et ferroélectriques.
Dans un contexte plus général, nous espérons démontrer que les matériaux moléculaires peuvent être compétitifs en termes de propriétés tels que la ferroélectricité avec des oxydes métalliques permettant de les considérer comme candidats potentiels pour de futures applications.

Les deux objectifs principaux du projet MEMORI sont donc:
i) Le design de ferroélectriques moléculaires paramagnétiques avec une grande stabilité chimique et basés sur l’association entre des ions lanthanides et des ligands chiraux de type base de Schiff. Un effort sera apporté pour obtenir des systèmes avec une température de Curie électrique/décomposition élevée et différentes méthodes de mise en forme (monocristaux, films minces, céramiques moléculaires). Un accent sera mis sur le développement de méthodologies pour caractériser les propriétés électriques dans le but d’obtenir une compréhension générale de l’origine de la ferroélectricité dans ces complexes moléculaires.
(iii) Mettre en évidence et comprendre le couplage magnéto-électrique. Nous souhaitons apporter la preuve de concept que les matériaux visés peuvent être utilisés pour concevoir des systèmes dans lesquels l'information est stockée au niveau électrique mais détectable et contrôlable par l'application d'un champ magnétique et vice versa. De tels résultats représentaient une avancée majeure dans le domaine des matériaux moléculaires et de la chimie de l’état solide.

MEMORI repose sur l’expertise complémentaire entre deux différents partenaires (ICGM et ICMCB). Ce projet de quatre ans constitue donc un sujet multidisciplinaire allant de la synthèse des matériaux moléculaires visés, leur mise en forme, la compréhension des propriétés diélectriques jusqu’à l’étude du couplage ME.

Project coordinator

Monsieur Jérôme LONG (Institut de chimie moléculaire et des matériaux - Institut Charles Gerhardt Montpellier)

The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.

Partner

ICMCB INSTITUT DE CHIMIE DE LA MATIERE CONDENSEE DE BORDEAUX
ICGM Institut de chimie moléculaire et des matériaux - Institut Charles Gerhardt Montpellier

Help of the ANR 433,285 euros
Beginning and duration of the scientific project: January 2020 - 48 Months

Useful links

Sign up for the latest news:
Subscribe to our newsletter