Interface modèles pour le design d'aimants permanents Nd-Fe-B

Mots clés

Intermetallic compounds, hard magnets, materials for energy, surface science and interfaces

Détail de l'offre

Les aimants permanents à base de terres rares (TR) comme le Nd-Fe-B sont des matériaux essentiels pour l'avenir énergétique de l'Europe, entrant dans la construction de moteurs pour les véhicules électriques et les éoliennes par exemple. Ces matériaux possèdent des propriétés magnétiques exceptionnelles, basées sur la phase Nd2Fe14B. Cependant, les propriétés intrinsèques de la phase tétragonale Nd2Fe14B sont massivement sous-exploitées et de nombreux efforts sont nécessaires pour traduire ces propriétés magnétiques intrinsèques en de meilleures propriétés extrinsèques [1-4]. La raison tient en ce que les aimants Nd-Fe-B sont des matériaux complexes et multiphasés, dont les propriétés ne dépendent pas seulement des propriétés intrinsèques de la phase Nd2Fe14B mais aussi de la microstructure du matériau dans son ensemble et notamment de la nature des phases intergranulaires formées lors de la mise en forme du matériau.
Le projet global dans lequel s'inscrit ce projet de thèse consistera à créer de nouveaux matériaux d'interface en se basant sur des simulations thermodynamiques et micromagnétiques. Un aspect important sera de tester ces idées en créant des interfaces modèles en utilisant des monocristaux Nd2Fe14B comme substrats sur lesquelles des films minces de la phase intergranulaire précédemment optimisée seront élaborés pour être caractérisées exhaustivement. Cette approche sera étendue aux grains isolés provenant de poudres recyclées ou fraichement produites afin de développer de nouveaux aimants permanents Nd-Fe-B optimisés grâce à cette ingénierie des joints de grain.
Le programme de doctorat se concentrera sur les aspects les plus fondamentaux du projet global décrit ci-dessus, en créant des interfaces modèles à partir desquelles les mécanismes physiques de base en jeu pourront probablement être mieux compris.
Pour cela, des monocristaux de haute qualité structurale et de dimensions de quelques mm2 devront être élaborés soit par une méthode de flux soit par la méthode Czochralski, Les cristaux devront être extrait et alignés par diffraction Laue. Les surfaces de monocristaux de bas indice (001) et (100) seront examinées dans les conditions de l'ultravide à l'échelle atomique. Cela constitue un défi car, malgré l'importance technologique de la phase tétragonale Nd2Fe14B, la littérature sur la science de surface de ce matériau est très limitée. La première étape consistera à optimiser les conditions de préparation de la surface afin d'obtenir une morphologie de surface en terrasses et marches. Les surfaces seront caractérisées par des méthodes telles que la diffraction d'électrons à basse énergie, la microscopie à effet tunnel et la spectroscopie de photoémission. Ensuite, une interface modèle sera créée en faisant croître un film ultra-mince du matériau d'interface spécifique sur le substrat nu Nd2Fe14B. Le mode de croissance initial du film ainsi que sa structure et sa chimie seront déterminés en surface pour diverses conditions de croissance. Une analyse des interface (coupe transverse) apportera des informations cruciales sur la répartition chimique et les éventuelles phases formées en fonction des paramètres de croissance et des post-traitements. Les propriétés magnétiques résultantes seront étudiées à différentes échelles de longueur en utilisant différentes techniques, en collaboration avec d'autres institutions partenaires. La compréhension détaillée d'un tel système modèle sera crucial pour mettre en œuvre la stratégie globale du projet.