Matériaux piézoélectriques pour applications hautes températures : étude de la croissance de monocristaux de Ge1-xSixO2 (0 ≤ x ≤ 0,2) et de leurs propriétés

par Adrien Lignie

Thèse de doctorat en Chimie et Physicochimie des matériaux

Sous la direction de Pascale Armand.

Soutenue le 24-09-2012

à Montpellier 2 , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; ...-2014) , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Papet.

Le jury était composé de Pascale Armand, Philippe Papet, Laurent Lebrun, Philippe Thomas, Bertrand Menaert, Olivier Le Traon, Benoît Ruffle.

Les rapporteurs étaient Laurent Lebrun, Philippe Thomas.


  • Résumé

    Dans la recherche de nouveaux matériaux piézoélectriques pour capteurs haute température (T > 600°C), nous nous sommes intéressés au matériau α-GeO2 dont le domaine de stabilité structurale en température et l'activité piézoélectrique seraient les plus importants parmi les composés isotypes du quartz-α. La littérature rapporte quelques limitations de ces deux propriétés dans le cas de monocristaux de α-GeO2 provenant de synthèses sous pression en milieu aqueux dues notamment à la présence de groupements hydroxyles au sein de la structure. Afin de remédier à cette contamination, une autre voie de croissance a été appliquée à GeO2 ; la méthode du flux par nucléation spontanée et à partir d'un germe monocristallin. Pour faciliter la croissance de la phase quartz-α de GeO2, métastable dans les conditions ambiantes, nous avons envisagé de substituer une faible partie des cations Ge4+ par des cations Si4+ (environ 10 % atomique). Après optimisation des différents paramètres expérimentaux, les cristaux synthétisés lors de ce travail ont été analysés par plusieurs techniques de caractérisation complémentaires (spectroscopies infrarouge et Raman, analyse E.D.X., D.R.X sur monocristal et sur poudre et D.S.C.) qui ont démontré leur excellente qualité cristalline, l'absence de contamination chimique (dans la limite de détection des techniques de caractérisation) et l'absence de transition de phase de la structure quartz-α, de la température ambiante à la fusion de ces matériaux (proche de 1100°C). L'approche de l'activité piézoélectrique de α-GeO2 en fonction de la température a été réalisée via l'étude de ses propriétés électromécaniques par spectroscopie d'impédance et spectroscopie Brillouin. Nous avons ainsi démontré que le matériau de structure quartz-α de GeO2 résonnait à très haute température (≈ 900°C) avec cependant une intensité diminuée par rapport à celle enregistrée à température ambiante.

  • Titre traduit

    Piezoelectric materials for high temperature devices : research on single-crystals synthesis of Ge1-xSixO2 (0 ≤ x ≤ 0,2) and their properties


  • Résumé

    In the research of new piezoelectric materials for high temperature sensors (T > 600°C), we have been interested in α-GeO2 material which would exhibit the most important piezoelectric activity and structural stability domain with temperature among the α-quartz isotype compounds. Some limitations are described in the literature concerning those two properties in the case of hydrothermally-grown α-GeO2 single crystals mainly due to the presence of hydroxyl groups in their structure. To prevent this contamination, another growth approach was applied to GeO2: flux-growth method by spontaneous nucleation and from a crystalline seed. To facilitate the growth of the α-quartz phase of GeO2, metastable in ambient conditions, we have thought to substitute a part of Ge4+ cations by Si4+ cations (around 10 atomic per cent). After optimization of the different experimental parameters, flux-grown single-crystals were analyzed by several complementary characterization techniques (infrared and Raman spectroscopies, E.D.X. analyses, single-crystal and powder X-R.D. and D.S.C.) which have demonstrated their excellent crystalline quality, the absence of chemical contamination (inside the detection limit of characterization techniques) and the absence of phase transition of the α-quartz structure, from ambient temperature to the fusion of those materials (around 1100°C). The observation of piezoelectric activity of α-GeO2 as a function of temperature was realized from the study of its electromechanical properties by impedance spectroscopy and Brillouin spectroscopy. By these means, we have demonstrated that the α-quartz structure of GeO2 still resonate at very high temperature (≈ 900°C) with a weaker intensity compared to that recorded at ambient temperature.


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