Propriétés électroniques et magnétiques d'oxydes à haute entropie – NEO

Ce projet est consacré à l’exploration de nouveaux oxydes à haute entropie (HEOx) présentant des propriétés électroniques et magnétiques exotiques. Ces oxydes constituent une nouvelle classe de matériaux récemment découverts, élargissant aux oxydes le concept des matériaux à haute entropie, bien connu pour les alliages métalliques. Ils comprennent au moins cinq cations différents et sont obtenus par chauffage à haute température suivi d'une trempe. Lorsque la température est suffisamment élevée, l'entropie de configuration devient la contribution dominante à l'énergie totale de Gibbs. Ainsi, au lieu de former des phases déterminées par l'enthalpie de formation, le système cristallise, à haute température, dans une solution solide métastable qui peut être “figée” par trempe à température ambiante, conduisant à des oxydes stabilisés par entropie.

Dans le cas du premier HEOx obtenu, (MgCoNiCuZn)O, lorsqu'un mélange d'oxydes binaires est chauffé à haute températures (> 875 ° C) puis trempé on obtient une structure simple de type NaCl. Dans cette structure les cations sont répartis de manière aléatoire sur le sous-réseau cationique. Notons que certains des oxydes binaires constitutifs ne cristallisent pas dans une structure NaCl, ni même dans un système cubique, et ils ne forment pas de solutions solides. Comme la structure HEOx est déterminée par l'entropie de configuration, il devient ainsi possible d'incorporer dans la structure cristalline des cations généralement difficiles à doper, tels que l'ion Zn2+ dans un site octaédrique et pas dans la symétrie tétraédrique habituelle. En plus de cette structure NaCl, d’autres matériaux HEOx, tels que la pérovskite ou spinelle ont été récemment signalés, suggérant une très grande variété de matériaux à réaliser.

HEOx est donc un système intéressant pour développer de nouveaux matériaux. Les matériaux résultants sont non seulement nouveaux mais ils présentent également des fonctions inattendues probablement liées aux distorsions locales du réseau avec un agencement non conventionnel des cations. Pour les HEOx de structure NaCl, nous avons découvert des propriétés inattendues telles que
-constantes diélectriques géantes dans une large gamme de fréquences
-mobilité élevée des ions alcalins
-ordre antiferromagnétique à longue portée

En appliquant le concept de stabilisation à haute entropie à des systèmes à électrons corrélés nous espérons obtenir des propriétés électroniques et magnétiques intéressantes. Les oxydes de métaux de transition présentent souvent des états fondamentaux électroniques en compétition, qui sont couplés à une distorsion du réseau. En réalisant des oxydes de type HEOx où la structure du réseau est fortement randomisée avec des cations multiples "stabilisés par entropie", le système peut ne pas être en mesure de trouver un état fondamental unique parmi les phases en compétition, et peut donc former une phase électronique ayant propriétés et fonctions surprenantes. Nous explorons donc ces nouveaux matériaux HEOX dans des oxydes complexes de métaux de transition tels que la pérovskite, le pyrochlore et les structures spinelles. Les propriétés attendues incluent un effet magnétoélectrique géant, des thermoélectriques hautes performances et des aimants exotiques tels que les liquides de spin quantiques.

Nous aimerions souligner que les HEOx ne sont pas de simples solutions solides «classiques», mais représentent une nouvelle classe de matériaux produits par «stabilisation d'entropie». Leurs propriétés ne sont donc pas simplement un "cocktail" de matériaux de départ et de nouvelles propriétés devraient émerger. Grâce à la collaboration de deux équipes, les pionniers des matériaux à haute entropie (le partenaire français) et un groupe leader dans le domaine de la physique d'électrons corrélés (le partenaire allemand), nous espérons ouvrir un nouveau domaine pour l’exploration de nouveaux matériaux électroniques fonctionnels.