Matériaux Moléculaires MagnetoElectriques – MEMORi

L'objectif général consiste en la conception chimique et l'étude des propriétés physiques des matériaux moléculaires ME originaux. Pour réaliser cette étude, la proposition est organisée en trois tâches interconnectées :
La tâche n°1 vise à concevoir des complexes moléculaires chiraux à base d'ions lanthanides et de divers ligands à base de Schiff. Notre objectif sera de réaliser une analyse systématique des paramètres qui affectent les propriétés ferroélectriques (ions Ln3+, ligands, groupes d'espace) et in fine le couplage ME. Trois différentes méthodes de mise en forme des matériaux seront étudiées pour la caractérisation électrique (Tâche 2) : 1) monocristaux ; 2) des films minces obtenus par spin ou dip-coating sur des substrats ITO ; 3) céramiques moléculaires obtenues en utilisant la méthode Cool-Spark Plasma Sintering (SPS, Partner 2) permettant le frittage de matériaux thermodynamiquement fragiles à une température raisonnable (200-400°C) pour permettre des caractérisations diélectriques et ME perspicaces.
La tâche n°2 portera sur l'étude des propriétés individuelles des architectures moléculaires résultantes. Les propriétés magnétiques et photoluminescentes (Partenaire 1). Le criblage des mesures ferroélectriques à l'échelle macroscopique sera investigué par deux approches parallèles : sur monocristaux et couches minces par le Partenaire 1 et sur les céramiques moléculaires par le Partenaire 2. Ensuite, les systèmes les plus prometteurs, quelle que soit la mise en forme, sera étudié en détail par le partenaire 2 en mesurant les propriétés diélectriques, les courants pyroélectriques et en étudiant les propriétés piézoélectriques.
La tâche n°3 sera dédiée à l'étude du couplage ME sur les matériaux les plus performants obtenus dans la tâche 2 en mesurant la dépendance au champ magnétique des propriétés diélectriques et pyroélectriques (Partenaire 2).

D'un point de vue synthétique, de nouveaux ligands chiraux de base de Schiff ont été préparés pour la conception de nouveaux complexes magnétoélectriques. Un nouveau complexe polaire NiYb a néanmoins été obtenu et caractérisé et fera l'objet d'une étude détaillée.
La synthèse à grande échelle d'un complexe ferroélectrique de référence ZnYb a été développée pour les études de mise en forme à l'ICMB ainsi que pour la compréhension du couplage magnéto-électrique (tâche 3).
Les premiers tests de mise en forme Cool-SPS ont été réalisés à l'ICMCB. Ils ont établi la gamme des conditions expérimentales tolérables par le complexe ZnYb. Ceci a montré une bonne stabilité dans des conditions Cool-SPS (vide poussé, pression uniaxiale, application de puissance électrique, etc.). Ces premiers travaux suggèrent que les conditions favorables au frittage de ce complexe par Cool-SPS se situent dans la gamme de température et de pression supportée par ce matériau. Ces premières expériences SPS sont encourageantes pour de futures études diélectriques, mais il reste nécessaire de déterminer les conditions optimales de frittage, assurant à la fois une bonne densification et une bonne reproductibilité.

Les premières mesures ferroélectriques ont montré des résultats prometteurs, notamment sous forme de monocristaux de taille importante. Des travaux complémentaires sont maintenant nécessaires pour déterminer en détail les paramètres affectant les mesures ferroélectriques (taille des monocristaux, orientation cristalline, etc.) et ainsi proposer une méthodologie fiable.
L'étude des propriétés diélectriques sur les céramiques moléculaires débutera prochainement (ICMCB). La disponibilité récente de nouvelles cellules dédiées à la mesure des propriétés diélectriques, développées indépendamment du projet MEMORI, permettra de réaliser des mesures préliminaires sur les céramiques. Ces mesures guideront le choix des conditions de mesures diélectriques avancées (basse température, sous champ magnétique, mesures magnétoélectriques, 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.