Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay

Laboratoire de Physico-Chimie de l'Etat Solide - LPCES

1.1 : Diagramme de phase “universel ” température-concentration

Une étude systématique de la susceptibilité magnétique, effectuée sur des monocristaux de CuGe1-xSixO3 et Cu1-yMyGeO3 avec M = Zn, Mg, Ni et Mn, révèlent trois effets principaux : une décroissance rapide de la température spin-Peierls TSP (qui n'est plus visible au-delà de x = 0,009 et y = 0,03), la libération de spins S = 1/2 libres et l'apparition à basse température TN d'une phase antiferromagnétique (AF) 3D.

Par ailleurs, le caractère universel du mécanisme de destruction de la phase spin-Peierls a pu être établi et il a été ainsi mis en évidence l'existence d'un diagramme de phases température-concentration universel (TSP, (x, y)) pour l'ensemble des composés, avec un facteur d'échelle y = 3 x (Figure 1) : celui-ci est associé à la libération d'un spin 1/2 par ion Cu substitué et de trois spins 1/2 par ion Ge substitué. Ce résultat est également vrai dans le cas du nickel, celui-ci se couplant antiferromagnétiquement avec un cuivre voisin, pour former un spin effectif S = 1/2 à basse température. Ainsi, le dopage en silicium qui se fait en dehors des chaînes est trois fois plus efficace que le dopage en Zn, Mg, Ni et Mn qui se fait pourtant directement dans les chaînes de spin.

Le dopage en nickel, ion magnétique et anisotrope, présente cependant deux caractéristiques : dans la phase AF, l'axe de facile aimantation est orthogonal aux chaînes de cuivre, contrairement au cas des impuretés non magnétiques (Zn et Mg) pour lesquelles cet axe est parallèle aux chaînes et la courbe (TN, xy) est un peu en dessous de celle obtenue pour les échantillons dopés avec Zn et Mg qui présente, comme dans le cas de TSP, un facteur d’échelle y = 3x.

Très récemment nous avons commencé à étudier le dopage en Mn. S’il conduit également à une chute de TSP et à l’apparition d’un ordre AF-3D, il induit par contre un paramagnétisme de Curie beaucoup plus fort et surtout il indique que le diagramme de phases (TN, xy) qui est universel pour les impuretés non magnétiques (Si, Zn et Mg) ne l’est plus pour les impuretés magnétiques (Ni et Mn) (Figure 1).


Figure 1 : Diagramme de phases (T, (x, y)) des composés CuGe1-xSixO3 et Cu1-yMyGeO3 avec M = Zn, Mg, Ni, Zn et Mn, indiquant le caractère universel de la variation de la TSP (établi en utilisant le facteur d'échelle y = 3 x) en fonction du taux de dopage en impuretés. Avec un tel facteur, on remarque le caractère universel du diagramme. La droite en trait pointillé est décrite par l'équation TSP(x) = TSP(0).[1-44x] = 14.25 - 627 x. Par contre, le diagramme de phases (TN, xy) qui est universel pour les impuretés non magnétiques (Zn et Mg) ne l’est plus pour les impuretés magnétiques (Ni et Mn).