Etude des corrélations entre propriétés structurales et physiques dans la famille de matériaux piézoélectriques type quartz par diffraction de rayons x

par Régis Guillot

Thèse de doctorat en Sciences physiques

Sous la direction de Niels K. Hansen.

Soutenue en 2002

à Nancy 1 , en partenariat avec Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .


  • Résumé

    La compréhension des corrélations entre la structure et les propriétés physiques des cristaux est très importante pour l'optimisation et l'innovation de nouveaux matériaux à application technologique. La réponse d'un cristal à un champ électrique externe est particulièrement intéressante pour les matériaux pyro-, piezo-, ferroélectriques. A partir de données de diffraction de rayons X, il est possible d'obtenir la structure atomique et la densité électronique. Cette information concerne l'état fondamental du cristal. Des expériences similaires sur des cristaux soumis à un champ électrique donnent des informations sur les relations entre la structure et les propriétés physiques. Le premier effet observé sur les cristaux piézo-électriques est le changement de l'angle de Bragg dû à l'effet piézoélectrique inverse. Le second effet, dans une telle expérience, est le changement de l'intensité diffractée dû à des changements de positions atomiques et/ou de la polarisation de la densité électronique. Un montage spécifique a été construit pour ce genre d'étude. Il permet la réalisation de mesures de diffraction sous champ électrique en s'interfaçant sur différents diffractomètres. Les composés de type quartz alpha et ses isotypes ont été choisis car ils sont utilisés dans de nombreux domaines de l'industrie. L'amélioration des propriétés de couplages électromécaniques est actuellement très demandée. Notre étude sous champ devrait permettre une explication structurale de l'effet d'un champ électrique pour ces composés. Nous avons déterminé, à l'aide d'un rayonnement synchrotron les coefficients du tenseur piézo électrique du quartz et de GaPO4. On retrouve les valeurs déjà connues par d'autres méthodes. Du point de vue des modifications structurales, les deux expériences ont donné des variations d'intensité de l'ordre du pourcent. Elles correspondent à des structures perturbées dont les distances entre les atomes lourds et les atomes d'oxygène sont peu modifiées. Ces résultats ont permis d'émettre certaines hypothèses sur l'origine des modifications sous champ électrique. Dans les deux cas, une polarisation expérimentale induite par des déplacements d'atomes chargés a été calculée. Dans les deux cas, une valeur en bon accord à celle obtenue à partir des coefficients diélectriques a été obtenue.


  • Résumé

    The understanding of the correlations between the structure and physical proprieties of crystals is important for the optimisation and innovation of new materials for technological applications. The response of a crystal to an applied external electric fields is particularly interesting for pyro-, piezo-, ferroelectric's materials. From high resolution X-rays diffraction data, we can obtain the atomic structure and the electronic density distribution. This information concerns the ground state of the crystal. Similar experiments on crystals under electric filed give knowledge about relationships between structure and physical proprieties. The first effect observed on a piezoelectric crystal is a change of the Bragg angle due to the converse piezoelectric effect. The second effect, from this experiment, is the modification of the diffracted intensity due to the changes of atomic positions and/or polarisation of electronic density. A dedicated apparatus was build for these studies in our laboratory. It allows us to measured diffraction profiles for a crystal under electric fields. It can be interfaced to different diffractometers. Alpha quartz and its isotypes are chosen because they are used in numerous technical applications. The enhancement of the electro mechanic coupling is request by new technologies. Our studies allow to explain the structural modifications induced by an electric field. We have determined, using synchrotron radiation, the piezoelectric tensor coefficients of quartz and GaPO4. The values are in good agreement with those determined by other methods. For the structural modifications, the two experiments give intensity variations of the order of a percent. Refinements lead to perturbed structures where the distances between heavy atoms and oxygen are little modified. These results have made it possible to propose an explanation of the origin of the modifications under an electric field. For the compounds, the polarization induced by displacing charged atoms have been calculated. In both cases, the values obtained are in qualitative agreement with what one gets from the dielectrics constants.

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Informations

  • Détails : 1 vol.( 250 - [26] p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury

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