Nouveau materiaux fonctionnels obtenus par insertion d'hydrogène dans des composés intermétalliques magnétiques // New functional materials obtained by hydrogen insertion intermetallic magnets

Les matériaux magnétiques à base d'éléments de transition 3d (T=Fe, Co) sont étudiés depuis des années puisqu'ils présentent de nombreuses propriétés magnétiques fonctionnelles remarquables. Ils forment un excellent terrain de jeu pour tester notre compréhension du magnétisme de l'état solide et révéler les mécanismes mis en jeu. De plus ces matériaux sont de grande importance dans notre vie moderne : aimants permanents pour les moteurs électriques et les véhicules hybrides, générateur éolien, matériaux magnétocaloriques pour les technologies de réfrigération éco-responsable etc. Il a été découvert que certains de ces systèmes ont la capacité d'absorber de l'hydrogène dans leur réseau cristallin en faisant des matériaux fonctionnels prometteurs pour le stockage de l'énergie. L'insertion de l'hydrogène provoque une large expansion du réseau et peut même conduire à changer de symétrie cristalline. Ces modifications structurales ont nécessairement une influence sur les propriétés magnétiques, par ex: augmentation de la température d'ordre et de la coercitivité ou même la conversion d'un état antiferromagnétique en un état ferromagnétique. Dans certains cas quelques uns de ces composés deviennent même supraconducteurs lors de l'insertion d'hydrogène.
L'objectif principal de cette thèse est de révéler l'origine microscopique des effets induits par la présence de l'hydrogène dans ces systèmes. Pour cela nous exploiterons au maximum le potentiel de la spectroscopie d'absorption X (X‐ray Absorption Spectroscopy : XAS) et le dichroïsme (X‐ray Magnetic Circular Dichroism : XMCD), qui sont par nature des techniques d'étude atomique et sélective de niveau électronique. Ces études compléteront les résultats qui seront obtenus par des techniques de diffraction de rayons X (XRD) et des mesures magnétiques macroscopiques.
La thèse sera concentrée sur des phases riches en fer telles que RFe2 qui sont connues pour être ordonnées magnétiquement à température ambiante ferromagnétiquement ou antiferromagnétiquement. L'alliage de départ et l'hydrure correspondant seront synthétisés à l'Institut Néel et caractérisés d'un point de vue structural et magnétique. Les structures atomique et électronique locales seront étudiés par spectroscopie d'absorption X par les technqiues Extended X‐ay Absorption Fine Structure (EXAFS) et X‐ay Absorption Near edge Structure (XANES). Les propriétés magnétiques atomiques seront étudiées de manière sélective par mesure de dichroïsme circulaire magnétique des rayons X. Nous étudierons en particulier les changement induit par l'insertion de l'hydrogène. Pour séparer les effets de pressions chimique de l'expansion du réseau, la spectroscopie d'absorption X sera effectuée sous diverses pression appliquée. Des synthèses sous haute pression d'hydrogène seront aussi testées pour étendre la gamme accessible de concentration d'hydrogène. Le résultat principal attendu de la thèse est de comprendre le rôle de l'hydrogène sur les interactions complexes entre le réseau cristallin, les structures électroniques et magnétiques. Il est en effet crucial de maitriser ces interactions fondamentales pour pouvoir optimiser les futures applications technologiques.
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Magnets based 3d transition metals (T=Fe, Co) are studied for decades since the plethora of
magnetic properties observed providing excellent playground to unravel the fundamentals of solid state magnetism. Moreover these compounds are of outmost importance in modern life: permanent magnets for electromotive industry and windmill or magnetocaloric materials for eco‐friendly refrigeration technology. It has been discovered that some of the systems have the ability to store hydrogen in the lattice, and therefore appear as promising functional materials for green energy. Insertion of hydrogen leads to a large expansion of the crystal lattice or even to a change of crystal symmetry. Such modification unavoidably affects the magnetic properties, e.g., increase of the ordering temperature and coercivity or a conversion of an antiferromagnet into a ferromagnet. Even more, some of these alloys become superconducting upon hydrogen insertion.
The main aim of this thesis is to unravel the microscopic origin of the effects induced by the presence of hydrogen in such systems. To reach this goal, we plan to fully exploit X‐ray Absorption Spectroscopy (XAS) including X‐ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD), which is inherently element and orbital selective technique, concomitantly with X‐ray diffraction (XRD) and macroscopic magnetic measurements.
The thesis will be focused on Fe rich compounds such as RFe2 which are known to be magnetically ordered at room temperature either ferromagnetically or antiferromagnetically. The pristine and hydrogen‐enriched intermetallic compounds will be synthesized at Néel Institute and characterized for both their structural and macroscopic magnetic properties. Local atomic and electronic structure will be investigated using hard X‐ray absorption spectroscopy at the relevant absorption edges exploiting both Extended X‐ay Absorption Fine Structure (EXAFS) and X‐ay Absorption Near edge Structure (XANES) ranges, respectively. Element selective magnetic properties will be elucidated with X‐ray magnetic circular dichroïsm technique with a specialemphasis on modifications induced by hydrogen insertion. To disentangle the “chemical” pressure effect from the lattice expansion, X‐ray absorption spectroscopy experiments will be also performed under applied external pressure. High hydrogen pressure synthesis will be also tested to extend the hydrogen content range. The main expected result of the PhD work is understanding of the role of hydrogen on a complex interplay of the lattice, electronic and magnetic degrees of freedom, which is the key for future technological applications.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Plan Investissement d'Avenir (Idex, Labex)

Université Grenoble Alpes

47 PHYS - Physique

Le ou la candidate devra être diplômé d'un Master en physique de la matière condensée ou de chimie de l'état solide avec des connaissance de base en magnétisme, cristallographie et propriétés physique des matériaux. Le doctorant sera en charge de l'élaboration des matériaux intermétalliques et ensuite de l'insertion de l'hydrogène dans le réseau cristallin. Il sera aussi directement impliqué dans la réalisation d'expériences de mesures magnétiques et de caractérisations structurales. En complément de cette partie réalisée à l'Institut Néel du CNRS, il effectuera aussi des expériences à l'ESRF à partir du rayonnement synchrotron XANES (mesures de seuil d'absorption ) XMCD (dichroïsme circulaire magnétique des rayons X), diffraction X haute résolution. Le.a doctorant.e pourra à cette occasion bénéficier de la complémentarité des expertises des deux équipes et acquérir une connaissance approfondie des phénomène mis en jeu dans ces matériaux pour applications dans le domaine de l'énergie.
As outlined in the project description, UGA University and ESRF intend to hire a person holding a Master's degree in condensed matter physics or solid state chemistry with knowledge of magnetism. He/she will be accepted into the Ph.D. graduate program in physics at the UGA under the supervision of the senior scientists at NEEL Institute and ESRF. The student will be in charge of the sample synthesis, including elaboration of intermetallic compounds and subsequent insertion of hydrogen within the crystal lattice at NEEL Institute as well as strongly involved in extensive magnetic characterization experiments, data analysis at NEEL. He/she will also be in charge to study of the samples by using synchrotron based techniques (EXAFS, XANES, XMCD) and X‐ray diffraction. The student is expected to benefit from the complementary expertise in X‐ray absorption spectroscopy techniques (ESRF) and physics of condensed matter, magnetism (NEEL). This will provide him/her a broad knowledge of the physical phenomenon involved in such systems of materials for energy applications.