Séminaire du vendredi 10 février 2012 à 10h30

IMPMC, Université P. et M. Curie, 4, Place Jussieu, 75005 Paris

Salle de Conférence (401), 4ème étage, Tour 23, Couloir 22-23

Microscopie électronique par transmission en balayage et DFT : étude de la structure atomique et magnétique des matériaux.

 Guillaume RADTKE, IM2NP, UMR CNRS 7334, Marseille

 Cet exposé se décompose en deux parties distinctes, la première est focalisée sur l’étude de la structure atomique de nano-phases observées en microscopie électronique par transmission en balayage dans le massif d’un semi-conducteur et la seconde sur le calcul en DFT de couplages magnétiques dans un composé à gap de spin, le CsV2O5.

Première partie :

Le dopage des semi-conducteurs est une étape fondamentale pour le contrôle de leurs propriétés électriques, magnétiques ou optiques. Cependant, l’incorporation en grande quantité d’impuretés dans des semi-conducteurs communs comme le silicium, visant en général l’obtention d’une solution solide homogène afin d’en exploiter correctement les propriétés, représente souvent un état instable de la matière et, de ce fait, reste difficile à contrôler. La formation d’agrégats n’impliquant que quelques dizaines d’atomes d’impuretés dans le massif du semi-conducteur hôte est suspectée dans de nombreux cas mais leur caractérisation reste extrêmement délicate : par exemple, leur faible volume limite l’utilisation de techniques de diffraction (X ou électronique). Une description non ambiguë de ces nano-phases passe alors par une analyse dans l’espace direct.

Dans ce travail, nous avons déterminé la structure atomique d’agrégats métastables de tailles sub-nanométriques de CeSi enterrés dans une matrice de Si cristallin en utilisant l’imagerie en champ sombre annulaire. Il s’agit d’un des premiers exemples de détermination de l’ordre chimique local à des nano-objets par cette technique. Finalement, l’imagerie en condition de faible canalisation, améliorant la visibilité des impuretés lourdes, nous a permis de déterminer la structure 3D d’un agrégat isolé.

Deuxième partie :

Le CsV2O5 cristallise dans une structure où des feuillets V2O5 sont empilés et séparés par les ions Cs. Ces feuillets sont constitués de deux unités structurales, des tétraèdres [V(5+)O4]3- contenants les ions non magnétiques V5+ et des pyramides à bases carrées [V(4+)O5]6- contenant les ions magnétiques V4+. Ces pyramides sont arrangées par paires en partageant une arête et les dimères formés sont séparés les uns des autres par les unités non magnétiques de [V(5+)O4]3-. La simplicité de cette structure a longtemps mené à la conclusion que l’interaction magnétique dominante était localisée au sein des dimères entre les ions magnétiques les plus proches.

Un travail avancé et systématique en DFT nous a permis de démontrer que la structure magnétique de ce composé était en fait plus proche de chaînes alternées, fortement dimérisées. Ces calculs révèlent par ailleurs que les dimères magnétiques ne sont pas les dimères structuraux mais sont formés par deux ions appartenant à des dimères adjacents le long des chaînes. L’interaction antiferromagnétique dominante étant donc dans ce cas une interaction à longue distance (de troisièmes voisins, distants de 5.5 Å) et supportée par des unités non magnétiques [V(5+)O4]3-.