Phase Transition in Magneto-Ferroelectric Superlattices : Theory and Simulation

La dernière décennie a été caractérisée par une augmentation significative de l’activité dans le domaine de la recherche sur les matériaux, dans laquelle l’interrelation des propriétés magnétiques et électriques se manifeste. Les progrès récents en matière de miniaturisation des appareils électroniques ont incité à rechercher de nouveaux matériaux aux propriétés multifonctionnelles. À cet égard, les produits multiferroïques présentent des avantages distincts en tant que matériaux multifonctionnels.Dans cette thèse on discute les principaux types d'interactions magnétoélectriques qui sont réalisés dans les super-réseaux magnétoélectriques.Après une introduction générale sur les super-réseaux multiferroïques et multiferroïques et leurs applications dans le premier chapitre, le deuxième chapitre est consacré aux effets de la température, des champs externes, du couplage magnétoélectrique dans un super-réseau multiferroïque formé par une alternance de couches magnétiques et ferroélectriques. Diverses quantités physiques ont été obtenues pour identifier et caractériser la transition de phase dans chaque sous-système. Deux modèles de couplage d'interface ont été considérés. Les calculs MC et MF s'accordent en ce qui concerne les paramètres d'ordre d'interface. Parmi nos résultats MC, nous avons trouvé le changement de transition de phase lorsque le paramètre de couplage d'interface change. Différents diagrammes de phase ont été établis pour montrer que les transitions de phase magnétique et ferroélectrique sont étroitement liées. Les couches d'interface magnétique et ferroélectrique ont des comportements distincts par rapport aux couches internes.D'autres modèles de couplage magnéto-ferroélectrique d'interface, tels que l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya, peuvent induire des phénomènes inattendus au niveau de l'interface magnétoferroélectrique. Ce modèle est présenté dans le chapitre 3, où nous avons étudié les effets de la température, des champs externes, du couplage magnétoélectrique et des effets de surface d’un super-réseau multiferroïque formé par l’alternance de sous-couches magnétiques et ferroélectriques.Dans le chapitre 4, nous avons étudié un nouveau modèle d'interface entre un film magnétique et un film ferroélectrique dans un super-réseau. Ce couplage a la forme d’une interaction Dzyaloshinskii - Moriya (DM) entre une polarisation et les spins à l’interface. L'état fondamental montre des configurations de spin non colinéaires uniformes dans des champs nuls et des skyrmions dans un champ magnétique appliqué. Nous avons étudié les excitations spin-wave (SW) dans une monocouche et dans une bicouche en champ nul par la méthode de Green. Nous avons montré le fort effet du couplage sur le spectre SW à basses températures. La simulation de Monte Carlo a été utilisée pour étudier la phase de transition dans le super-réseau avec et sans champ appliqué. Il a été démontré que les skyrmions sont stables à des températures finies. Nous avons également montré que la nature de la transition de phase peut être de second ordre ou de premier ordre, en fonction du couplage de l'interface DM. L'existence de skyrmions confinés à l'interface magnéto-ferroélectrique est très intéressante. Le chapitre 5 est consacré à la conclusion générale avec un résumé des résultats de la thèse.The past decade was characterized by a significant increase in activity in the field of materials research, in which the interrelation of magnetic and electrical properties is manifested. The recent advance of miniaturization of the electronic devices has prompted the search for new materials with multifunctional properties. In this regard, multiferroics have distinct advantages as multifunctional materials.In this thesis we discuss the main types of magnetoelectric interactions that are realized in magnetoelectric superlattices.After general introduction on multiferroic and multiferroic superlattices and their applications in the first chapter, the second chapter is devoted to the effects of the temperature, external fields, the magnetoelectric coupling in a multiferroic superlattice formed by alternating magnetic and ferroelectric films. Various physical quantities have been obtained to identify and characterize the phase transition in each subsystem as functions of temperature T, interface coupling parameter and applied magnetic and electric fields. Two models of interface coupling have been considered. The MC and MF calculations agree with each other with regard to the interface order parameters. Among our MC results we found the change of the nature of the phase transition when the interface coupling parameter changes. Various phase diagrams have been established which show that magnetic and ferroelectric phase transitions are closely connected. The interface magnetic and ferroelectric layers have distinct behaviors compared to the inner layers.Other models of interface magneto-ferroelectric coupling such as the Dzyaloshinskii-Moriya interaction may induce unexpected phenomena at the magnetoferroelectric interface. This model is discussed in detail in Chapter 3. In this chapter we have studied the effects of the temperature, external fields, the magnetoelectric coupling and surface effects on a multiferroic superlattice formed by alternating magnetic and ferroelectric sublayers.In Chapter 4 we have studied a new model for the interface coupling between a magnetic film and a ferroelectric film in a superlattice. This coupling has the form of a Dzyaloshinskii - Moriya (DM) interaction between a polarization and the spins at the interface. The ground state shows uniform non collinear spin configurations in zero field and skyrmions in an applied magnetic field. We have studied spin-wave (SW) excitations in a monolayer and in a bilayer in zero field by the Green’s function method. We have shown the strong effect of the DM coupling on the SW spectrum as well as on the magnetization at low temperatures. Monte Carlo simulation has been used to study the phase transition occurring in the superlattice with and without applied field. Skyrmions have been shown to be stable at finite temperatures. We have also shown that the nature of the phase transition can be of second or first order, depending on the DM interface coupling. The existence of skyrmions confined at the magneto-ferroelectric interface is very interesting. Chapter 5 is devoted to the general conclusion with a summary of the results of the thesis