GRENATS

Historique

Quoique les grenats non magnétiques soient connus de l'homme depuis très longtemps, le premier grenat Y₃Al₅O₁₂ (YAG) – aussi non magnétique – a été synthétisé seulement en 1951 ; puis, en 1956, Bertaut et Forrat découvrirent le grenat magnétique Y₃Fe₅O₁₂. Louis Néel expliqua le ferromagnétisme que l'on observe dans les divers grenats magnétiques. À peu près en même temps, Geller et ses collaborateurs aux États-Unis ont élaboré des grenats ayant des compositions chimiques variées, en vue d'affiner la structure cristallographique et de mieux comprendre les interactions magnétiques présentes. Au début, on a étudié des matériaux polycristallins, et vers 1959 les premiers monocristaux de YIG (Y₃Fe₅O₁₂) ont été obtenus. Depuis lors, une meilleure connaissance de la structure microscopique de ces composants et de leurs propriétés magnétiques a permis de les utiliser dans le domaine des hyperfréquences.

Structure cristalline

C'est la structure cristalline qui détermine la nature des interactions magnétiques. La structure grenat se classe dans l'holoèdre du système cubique appartenant au groupe d'espace I à 3d-O^h₁₀. Chaque cellule unité contient huit unités de formule A₃B₂C₃O₁₂. Les atomes métalliques (cations) A, B et C se trouvent dans des sites cristallographiques bien définis, entourés respectivement de huit, six et quatre oxygènes, et appelés dodécaédrique (24c), octaèdrique (16a) et tétraèdrique (24d). On note habituellement ces sites {24c} [16a] (24d) (fig. 2). Quoique la structure globale d'un grenat ait une symétrie cubique, tous ces polyèdres d'oxygène sont déformés, par conséquent la symétrie locale d'un site est plus basse et devient soit trigonale, soit tétragonale. Cet abaissement de la symétrie locale détermine les propriétés telles que l'anisotropie magnétocristalline, la magnétostriction et les effets magnéto-optiques.

Il existe de nombreuses combinaisons possibles des cations A, B et C ; les seuls facteurs imposant une limite semblent être le rayon ionique et l'équilibre des charges dans la formule moléculaire. Dans les grenats naturels, A est un ion bivalent comme Fe³⁺, Al³⁺ ou Cr³⁺ et C un ion tétravalent comme Si⁴⁺. Dans le grenat magnétique Y₃Fe₅O₁₂, écrit sous la forme Y₃Fe₂F₃O₁₂ pour distinguer les deux sites des ions Fe³⁺, A est constitué par les ions Y³⁺, et B et C par les ions Fe³⁺. L'ion Y³⁺ peut se substituer entièrement par les ions de terres rares allant du Sm³⁺ au Lu³⁺, et partiellement par les ions Pr³⁺, Nd³⁺ à cause de leur taille. Les ions Al³⁺ et Ga³⁺ peuvent remplacer tous les ions de Fe³⁺ aux deux sites 16a et 24d, donnant ainsi les grenats Y₃Al₅O₁₂ (YAG) et Y₃Ga₅O₁₂ (YGaG), excellentes matrices pour obtenir des matériaux pour laser (YAG dopé au Nd par exemple). Le tableau 3 indique la distribution de quelques cations parmi les trois sites dans les grenats. Cette possibilité de pouvoir introduire divers cations dans la structure nous permet de modifier les propriétés magnétiques des grenats à volonté et ainsi de répondre aux exigences technologiques. Il est également possible d'effectuer une substitution partielle des ions O^2— par les ions F.

Le moment magnétique dans les grenats

Nous utilisons indifféremment le terme moment (exprimé soit en magnétons de Bohr μ_B, soit en unités électromagnétiques par gramme, u.e.m. g^—1) et le terme aimantation (exprimé en unités Gs.g^—1) dans ce qui suit. La théorie de Néel rend bien compte de l'aimantation et de sa variation thermique observée dans les grenats, où les trois sites cristallographiques décrits précédemment constituent trois sous-réseaux. L'interaction magnétique dite superéchange entre les ions dans les trois différents sites a lieu par l'intermédiaire des ions O^2—. Le résultat est que les moments des ions dans les[...]