La plupart des pnictures ternaires de formule générale MM'X (où M et M' sont des métaux de transition et X un élément p tel que P et As) cristallisent avec une structure dérivée de type Fe2P présentant un effet magnétocalorique (MCE) élevé avec une concentration en électrons d proche de celle de Fe. Au contraire, les systèmes polytypes MM'X de type Co2P conduisent à des performances modestes, même lorsque les éléments métalliques sont identiques, à savoir les phases MnFeP1-xAsx (hexagonale) et MnFe1-xCoxP (orthorhombique) présentes dans des diagrammes de phases magnétiques très similaires. Ainsi, le but de ce travail était tout d'abord de mieux comprendre l'évolution fondamentale des comportements structuraux et magnétiques de la série orthorhombique lorsqu'on effectue des substitutions partielles d'éléments choisis sur des sites spécifiques, tels que Mn par Cr, Ni par Fe ou Co, et P par Si ou Ge. D'autre part, il s'agissait d'optimiser la formulation et le procédé d'élaboration visant à concevoir des composés de type hexagonal dans lesquels As est entièrement remplacé par Si plus sûr, et présentant des performances MCE élevées, en vue d'une production pilote.Dans un premier temps, des efforts de synthèse suivis d'analyses DRX, de mesures d'aimantation en fonction du champ et de la température, d'analyses par diffraction de neutrons des structures magnétiques, de caractérisations calorimétriques et de mesures comparatives de MCE, ont été réalisées sur de nombreux échantillons formant un panel représentatif. De manière inattendue, Ni, le métal 3d qui porte le moment magnétique le plus faible, a conduit à des anomalies de volume de la maille en fonction du taux de substitution de Fe ou de Co, induisant une évolution non linéaire de l'aimantation à saturation. Après plusieurs tentatives, et en combinant des substitutions mixtes sur les sites métalliques et non métalliques (par exemple Ni à Co / Ge à P), la variation initiale de l'entropie magnétique à la transition (ΔSm) a été améliorée par environ un facteur 3, pour atteindre le niveau de référence du Gadolinium. En outre, des structures magnétiques non colinéaires et non commensurables aient été établies, en bon accord avec l'analyse Mössbauer 57Fe et les calculs de structure électronique.Le deuxième volet de ce travail comporte 3 parties. D'une part, des analyses de type XRD, MEB, aimantation, calorimétrie... ont été réalisées afin de caractériser les particularités des poudres magnétocaloriques Mn1-xFexP1-xSix de type Fe2P produites à grande échelle par atomisation sous jet de gaz. Le traitement de recuit après atomisation est apparu comme étant l'un des paramètres les plus importants pour accéder à des performances MCE élevées. Plusieurs essais ont permis de définir la meilleure gamme de température, le temps de recuit et la vitesse de refroidissement. Ainsi, la caractéristique ΔSm a été améliorée de 0,2 à 4 J/kg.K pour une variation de 0-2 T. Pour conforter les résultats ci-dessus, des travaux ont été focalisés sur une formule simple - MnFeP0.5Si0.5 - préparée à partir de précurseurs et en utilisant la fusion HF. L'objectif était de mieux contrôler l'équilibre de phases dans le système quaternaire. A partir de cette étape, des performances très intéressantes ont été atteintes, avec un ΔSm de 15 J/kg.K (0-2 T). Enfin, l'emploi de précurseurs spécifiques et de la fusion HF ont été appliqués pour produire des formules différentes (différents rapports Mn / Fe et P / Si), comprenant l'utilisation de poudres atomisées. Avec l'expérience acquise, des valeurs de 18 et de près de 24 J/kg.K (0-2 T) ont été atteintes.En conclusion, les paramètres chimiques et topologiques gouvernant les différences majeurs entre les pnictures MM'X de type Fe2P et de type Co2P ont été discutées. / Most of ternary pnictides with general formula MM’X (where M and M’ are transition metals and X being a p-element such as P and As) crystallize with a Fe2P type structure exhibiting high magnetocaloric effect (MCE) with d-electron concentration close to that of Fe. Surprisingly, polytype systems MM’X of Co2P-type lead to low performances, even when involving the same metal elements, i.e., MnFeP1-xAsx (hexagonal) and MnFe1-xCoxP (orthorhombic), which exhibit very similar magnetic phase diagrams. So the aim of the work was first to better understand the main crystalline and magnetic fundamental trends of the orthorhombic series when controlling substitutions of selected elements to specific sites e.g. Cr to Mn, Ni to Fe or Co, Si tor Ge to P. Then, the goal was to optimize formula and process aiming being able to design hexagonal type compounds where As is fully replaced by safer Si, for high MCE characteristics, in view of pilot production.At first, synthesis efforts followed by XRD analyzes, magnetization vs field and temperature, neutron scattering investigations of magnetic structures, calorimetry and comparative MCE measurements, were carried out on numerous samples forming a representative panel. Unexpectedly, the less magnetic 3d metal Ni caused cell volume anomalies vs substitution rate to Fe or Co leading the saturation magnetization to evolve non-linearly. From the several attempts, and combining mixed substitutions on metallic and non metallic sites (e.g. Ni to Co / Ge to P), the initial variation of the magnetic entropy at transition (ΔSm) was improved by about 3 times, to reach the reference level Gd. Besides non-collinear and non-commensurate magnetic structures were established, agreeing well with 57Fe Mössbauer analysis and electronic structure calculations.The second action of this work consists in 3 parts. First, analysis involving XRD, SEM, magnetization, calorimetry… was deployed to characterize well the peculiarities of MCE promising Mn1-xFexP1-xSix powders of Fe2P-type produced at a large scale by gas atomization. Of the most critical parameters was the post annealing treatment, which is expected delivering high MCE performances. Several attempts have progressively revealed the best range of temperature, annealing time and cooling down rate. Thus the ΔSm characteristic upgraded from 0.2 to 4 J/kg.K for a variation of 0-2 T. To confirm the above results, works focused to a simple formula MnFeP0.5Si0.5 prepared from precursors and using HF melting. The goal was to better control the phase equilibrium in the quaternary system. From this step, ΔSm up to 16 J/kg.K (0-2 T) was achieved. At the end, the method of dedicated precursor and HF melting was applied to produce different formula (various Mn/Fe and P/Si ratios), comprising the use of the atomized powders. With the gained experience 18 and then close to 24 J/kg.K (0-2 T) was reached.In a final conclusion, chemical and topology parameters driving the critical differences in between related to the Fe2P and Co2P types of MM’X pnictides were discussed.

Cette thèse porte sur l'étude de trois systèmes de spins basse dimension par diffraction et diffusion inélastique de neutrons. Dans le composé DMACuCl3, les mesures macroscopiques semblent indiquer la coexistence de deux types de dimères : antiferromagnétique et ferromagnétique. Une étude par diffraction nous a permis de déterminer sa structure magnétique en champ nul qui prouve l'existence des deux dimères de manière irrévocable. Il a été montré que le composé de type Ising BaCo2V2O8 serait le premier système présentant un ordre magnétique incommensurable longitudinal (ICL) sous champ. Tout d'abord, nous avons déterminé la structure magnétique en champ nul. Ensuite, nous avons suivi l'évolution du vecteur de propagation en fonction du champ magnétique caractérisant ainsi l'entrée dans la phase ICL à Hc = 3.9 T. La détermination de l'ordre magnétique de la phase ICL confirme que BaCo2V2O8 est le premier composé présentant un ordre magnétique colinéaire à la direction du champ. Il a été montré que le composé organique DF5PNN est bien décrit à basse température par des chaînes de spins à couplages alternés. Or la structure cristallographique connue à température ambiante implique des couplages uniformes. Notre étude par diffraction montre l'existence d'une transition structurale à basse température (Tc = 450 mK) faisant passer du groupe d'espace C2/c à Pc, et expliquant la nature alternée des interactions. Nous avons également caractérisé une transition structurale induite sous champ (Hc = 1.1 T) faisant revenir le groupe d'espace à C2/c. Cette transition implique un retour à l'uniformité des échanges, ce que nous avons confirmé en étudiant les excitations magnétiques.

Des relations entre propriétés structurales et magnétiques ont été mises en évidence dans des fluorures dérivés de la structure usovite (Ba₂CaMgAl₂F₁₄). Le réseau est constitué de couches [CaMgAl₂F₁₄] dans lesquelles les cations occupent trois sites cristallographiques différents M²⁺, M'²⁺ et M''³⁺ . Si les éléments M²⁺ et M'²⁺ sont des ions magnétiques et M''³⁺ un ion diamagnétiques, il y a formation de chaînes magnétiques...

Cette Thèse traite de la ferroélectricité magnétiquement induite dans deux pérovskites quadruples de manganèse: (LaMn3)Mn4O12 et (YMn3)Mn4O12. Tous deux possèdent une monovalence et une structure antiferromagnétique commensurable des sites B. Ces caractéristiques simples, font de ces composés métastables et stabilisés sous haute pression, des systèmes modèles pour identifier la contribution des interactions d’échange symétrique et antisymétrique à la polarisation. YMO est une nouvelle phase dans laquelle le faible rayon de l’ion Y3+ augmente la pression chimique et donc l’interaction d’échange. L’orientation magnétique des sites B à lieu 30 degrés plus haut que dans LMO, à TN,B=108 K. En revanche, nous mesurons une polarisation, P = 0.54 μC cm-2, identique dans les deux composés. Il s’agit d’une valeur record dans les ferroélectriques magnétiques. De façon inattendue, la nature de la ferroélectricité magnétique est très différente dans chaque composé. Dans LMO, la ferroélectricité apparaît à la transition magnétique des sites B, à TN,B = 78 K, mais nous ne reportons pas de brisure du centre d’inversion par diffraction de rayons X ou par spectroscopie Raman et IR. Nous tentons d’expliquer ce résultat inattendu dans le cadre de la théorie phénoménologique des ferroélectriques impropres. D’un autre côté, dans YMO, nous observons l’apparition de la ferroélectricité à T* = 70 K bien que T* ne corresponde pas à une transition magnétique. En effet, à T* nous reportons seulement une anomalie magnétique suggérant un ordre magnétique latent. La transition structurale, qui a lieu à Ts, pourrait être responsable de l’alignement des domaines ferroélectriques. / In the present Thesis, we study the large ferroelectricity induced by magnetism in two quadruple perovskite compounds: (LaMn3)Mn4O12 and (YMn3)Mn4O12, which both display single-valent properties and a commensurate C-type antiferromagnetic structure of the B-sites. These simple features offer a playground to elucidate the contribution of the symmetric and antisymmetric exchange interactions to the polarization. Both compounds are metastable and stabilized under high-pressure. YMO is a new phase, where the small Y3+ ion exerts a large chemical pressure, which is expected to enhance the exchange interaction and, thus, the spontaneous polarization. We find an ordering temperature of the B-sites, 30 K higher than in LMO. On the other hand, we surprisingly find identical values of the spontaneous polarization, P = 0.54 μC cm-2, in both compounds. It is a record value for magnetic ferroelectrics. In spite of the similarities, the nature of magnetic ferroelectricity appears to be very different in the two compounds. In LMO, ferroelectricity is induced by the magnetic ordering of B-sites, although no indication of inversion symmetry breaking is detected. We argue that this puzzling observation is consistent with prediction of domain structure in improper ferroelectrics. On the other hand, in YMO, the occurrence of ferroelectricity at T*=70 K is consistent with a polar structural modulation below Ts=200 K, however T* does not correspond to any long-range magnetic transition. Indeed, T* marks a magnetic anomaly suggesting a latent magnetic phase. We put forward the hypothesis that the above polar distortion of the crystal structure may force the alignment of polar domains.

L'étude du système Ce-Ni-Ge a permis d'établir une corrélation étroite entre les propriétés physiques de ces germaniures (gouvernées par l'état fondamental du cérium résultant d'une compétition entre deux types d'interactions : effet Kondo et interaction magnétique de type RKKY) et leur composition chimique. Ainsi, au sein du diagramme de phase ternaire Ce-Ni-Ge, nous avons établi que: (i) les germaniures riches en Ni sont soit des composés de valence intermédiaire (CeNiGe, Ce3Ni4Ge4 et CeNi4.25Ge0.75), soit des systèmes "fermions lourds" (CeNi2Ge2 et CeNi9Ge4). Notons que pour la séquence CeNi2Ge2 → Ce3Ni4Ge4 → CeNiGe, le caractère de valence intermédiaire est de plus en plus marqué; (ii) les germaniures les plus riches en Ge (>50 % atomique) sont antiferromagnétiques à basse température; dans ces composés (Ce2NiGe6, Ce3Ni2Ge7, CeNiGe3, Ce2Ni3Ge5 et CeNiGe2) l'ion cérium est trivalent; les structures magnétiques de ces composés ont été déterminées par diffraction neutronique, la valeur du moment magnétique de Ce3+ (ainsi que la température de Néel) diminue des composés les plus riches en Ge aux composés les moins riches en Ge (propriété associée à la force de l'effet Kondo).

L'étude des systèmes ternaires U - Cu - X (X = Si ou Ge) a permis de mettre en évidence trois nouvelles phases: U3Cu4Si4, U3Cu4Ge4 et UCuGe1,77. Leurs propriétés structurales et magnétiques ont été étudiées et les structures magnétiques des deux premières ont été déterminées. La substitution du cuivre au silicium dans la solution solide UCuxSi2-x (0,28 ≤ x ≤ 0,96) est à l'origine de transitions structurales et magnétiques selon les séquence α-ThSi2(quadratique) → AlB2(hexagonal) → Ni2In(hexagonal) et non magnétique → ferromagnétique → antiferromagnétique. L'évolution des propriétés magnétiques reflète la compétition entre les interactions de type Kondo et RKKY. Désordre cristallographique et frustrations magnétiques sont à l'origine d'un état "verre de spin" au passage ferro-antiferromagnétique. Les propriétés structurales et magnétiques des composés GdNi3X2 (X =Ga, Al, Sn) se sont avérées fortement dépendantes de la nature de l'élément X et du traitement thermique des échantillons. L'augmentation de la taille de X favorise une transition structurale de type CaCu5 → HoNi2,6Ga2,4 ainsi qu'un passage ferro → antiferromagnétique. Une structure cristallographique modulée commensurable (équivalente à une surstructure aHoNi2,6Ga2,4 × aHoNi2,6Ga2,4 × 2cHoNi2,6Ga2,4) est observée pour GdNi3Al2. L'insertion d'hydrogène dans Gd3Ni6Al2 et GdNi3Al2 affaiblit considérablement les interactions magnétiques.

Les structures magnétiques des stannures ternaires a base d'uranium ou de terre rare T2M2Sn (T = U, RE et M = Ni, Pd) ont été déterminées par diffraction de neutrons sur poudre. L'étude approfondie des composes U2M2Sn (M = Ni, Pd) a permis de mettre en évidence plusieurs type de corrélations entre propriétés structurales et magnétiques. L'hybridation entre les orbitales 5f(U) et 3d(Ni) est responsable du faible moment magnétique porte par l' uranium dans U2Ni2Sn, et explique que ce compose soit proche d'une instabilité magnétique. De même, dans le système U2Pd2+xSn1-x, la réduction du moment magnétique lorsque le taux de palladium augmente montre l' influence de l' hybridation des états 5f(U) et 4d(Pd). Dans cette solution solide, l'évolution de la structure magnétique en fonction de la composition a permis de vérifier la règle empirique selon laquelle les moments de l' uranium se dirigent perpendiculairement aux distances interatomiques les plus courtes entre atomes d' uranium. L'extension de cette étude aux nouveaux stannures de terre rare RE2Pd2,04Sn0,96 (RE = Ce, Tb, Dy, Ho, Er) a mis en évidence des relations systématiques entre des structures magnétiques complexes. L'existence d' une double transition magnétique permet d'observer, dans tous ces composés, une modulation sinusoïdale qui laisse place a basse température a une structure magnétique commensurable.

L'investigation du système La4TI3O12-LaTiO3 a permis de mettre en évidence une nouvelle série homologue de formulation LanTin-xO3n. Les structures de ces phases ont été caractérisées par diffraction des rayons X sur poudre et par microscopie électronique en transmission. Elles dérivent de différents polytypes de perovskites hexagonales et présentent une distorsion structurale due a la rotation coopérative des octaèdres autour de leurs axes ternaires. Une nouvelle serie de composes Ba2MM' F7Cl (M, M' = Mn, Fe, Co, Ni, Zn), dont les structures ont été déterminées par diffraction des rayons X sur monocristal, a été par ailleurs mis en évidence. Une étude comparative des propriétés structurales et magnétiques avec celles des composés de la série BaMF4 a été effectuée (filiation structurale résultant de différentes rotations coopératives des octaèdres, mesures d' aimantation sur poudre et monocristal, détermination des structures magnétiques de Ba2Co2F7Cl et Ba2Ni2F7Cl par diffraction des neutrons). Un nouveau chlorofluorure du cuivre a également été caractérise sur le plan structural et magnétique. Dans ce cas, une filiation structurale avec la structure de l'apatite et avec celle de phases derivees est proposée.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation de deux instruments adaptés à l’étude de couches minces par spectrométrie Mössbauer du 57Fe par électrons de conversion (CEMS) et à leur utilisation pour la caractérisation de films épitaxiés de ferrite de bismuth BiFeO3 (BFO). Le premier dispositif est constitué d’un compteur proportionnel couplé à un module thermoélectrique. Il permet l’acquisition de manière simple et économique de spectres Mössbauer sur une gamme de température variant de 245 à 375K et sous une induction magnétique externe allant jusqu’à 1,4 T. Un second dispositif a été développé sur la base d’un channeltron™et d’un cryostat à circulation d’hélium pour des acquisitions allant jusqu’à 4 K. Les analyses CEMS ont été réalisées sur des couches minces de différentes épaisseurs de BFO (110) et (001) épitaxiées sur LaAlO3 et SrTiO3. Au-delà d’une épaisseur critique, les couches de BFO (110) présentent un mélange de phases magnétiques colinéaire et cycloïdale. La phase colinéaire présente un axe d’anisotropie suivant [001] dans le plan de la couche et lamodulation cycloïdale se propage dans un plan perpendiculaire à celui-ci. Des effets combinés de contraintes et dimensionnalité ont été avancés pour expliquer la déstabilisation de la cycloïde pour les couches les plus fines. Dans les couches minces de BFO (001) présentant une phase tétragonale de BFO, les mesures CEMS ont montré que la température de mise en ordre magnétique se rapproche de l’ambiante lorsque l’épaisseur des couches diminue. / This work is devoted to the development of two Mössbauer detectors dedicated to thin films studies by conversion electron Mössbauer spectrometry (CEMS), and to their use for the characterization of bismuth ferrite BiFeO3 (BFO) epitaxials thin films. The first designed instrument is composed of a proportional counter and a thermoelectric module. It allows CEMS acquisitions of Mössbauer spectra from 245 to 375K with an external magnetic field upto 1.4 T. The second device is based on a commercial channeltron™ and a continuous flow cryostat allowing measurements downto 4 K. The CEMS measurements have been performed on (110) and (001) oriented BFO layers with various thickness deposited on LaAlO3 et SrTiO3 substrates. Beyond a critical thickness, the (110) BFO exhibits a mixing of collinear and cycloidal magnetic phases. The collinear phase shows an anisotropy axis [001] direction which is located in the sample plane. The cycloid propagation plane have been found to be perpendicular to the sample plane. Both epitaxial strain and size effects have been proposed to explain the cycloid destabilization in the thinner films. In (001) BFO thin films, exhibiting a BFO tetragonal phase, the CEMS measurements have shown that the magnetic ordering temperature tends to decrease with the layer thickness.