Combinaison de la diffusion diffuse thermique de la diffusion inélastique des rayons X et des calculs ab inito pour l'étude de la dynamique de réseau

par Björn Wehinger

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alexei Bosak.

Soutenue le 03-07-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec European Synchrotron Radiation Facility (équipe de recherche) .

Le président du jury était Michaël Krisch.

Le jury était composé de Hans-beat Bürgi, Helmut Schober.

Les rapporteurs étaient Jens Kreisel, Peter Blaha.


  • Résumé

    Les méthodes classiques dans l'étude de la dynamique de réseau, comme la diffusion inélastique des neutrons et des rayons X, sont et vont rester limitées en flux. En conséquence les mesures sont coûteuse en temps. Pour optimiser le rendement de ces techniques, la stratégie de mesure doit être préparée avant l'expérience. Cette stratégie peut être élaborée et optimisé par des calculs de la dynamique de réseau et de la diffusion diffuse. La mesure de la diffusion diffuse thermique est une expérience simple où les régions étendues dans l'espace réciproque peuvent être explorées rapidement et en détails, ce qui permet d'identifier les caractéristiques dans la dynamique de réseau. Une méthode spectroscopique peut être appliquée ensuite sur les régions d'intérêt donnant accès à l'énergie et à l'intensité des vibrations individuelles. Dans certains cas, la diffusion diffuse thermique devient tellement contraignante pour les calculs de la dynamique de réseau (quasi)harmonique, que l'expérience de diffusion inélastique n'est plus un ingrédient nécessaire dans la reconstruction d'une image cohérente de la dynamique. Dans le cadre de ce travail la combinaison des techniques utilisant la diffusion thermique, la diffusion inélastique des rayons X et les calculs réalisés à partir des premiers principes ab initio est proposée pour l'étude de la dynamique de réseau de monocristaux. Les intensités de diffusion diffuse ainsi que les spectres inélastiques observés sont comparés à ceux calculés ab initio. Ces techniques combinées donnent accès à la description complète de la dynamique de réseau en approximation harmonique, et fournissent des informations supplémentaires précieuses. Le lecteur sera initié au formalisme de la dynamique de réseau et à celui de la diffusion inélastique et thermique. Les méthodes de calculs des propriétés vibrationnelles issues des calculs ab initio vont être introduites suivant un ensemble d'étapes menant à la convergence et donc à la validation de l'ensemble des calculs. Les techniques expérimentales utilisées tout au long de cette étude ainsi que les nouvelles possibilités s'ouvrant désormais grâce aux études combinées, serons présentées. La méthodologie sera illustrée par plusieurs systèmes de référence. Dans le cadre des systèmes à liaisons covalentes, deux polymorphes de silice - coésite et cristobalite - sont à l'étude. Les calculs expérimentaux validés sont utilisés pour l'étude des vecteurs propres, des valeurs propres et de leur contributions a la densité d'états vibrationnels (partiel et total). La comparaison avec le polymorphe de silice le plus abondant - alpha-quartz - et l'oxide de germanium en structure de alpha-quartz - révèle des ressemblances et des différences distinctes dans les propriétés vibrationnelles à basse énergie. Les polymorphes d'étain ont été choisis pour étudier l'impact du sous-système électronique sur les interactions inter-ioniques et la dynamique de réseau de monocristaux. L'étain manifeste des propriétés structurelles intéressantes, et une surface de Fermi relativement complexe. On observe une asymétrie inhabituelle au niveau de la diffusion diffuse, propriété qui peut s'expliquer dans le cadre d'une approximation harmonique de la dynamique de réseau. Enfin, la méthode élaborée est appliquée à de la glace, ce qui démontre non seulement une diffusion thermique caractéristique mais également des contributions statiques provenant du désordre de l'hydrogène. La méthodologie proposée fournit un outil puissant pour l'étude de la dynamique de réseau et sera applicable à une large variété de systèmes. Les études peuvent être étendues à des conditions extrêmes impliquant de très hautes pressions et une large gamme de températures. Cette méthodologie peut également être utilisée pour étudier les propriétés localisées de vibrations atomiques dans les systèmes avec des symétries brisées, par exemple des systèmes avec du désordre ou des effets topologiques.

  • Titre traduit

    On the combination of thermal diffuse scattering, inelastic x-ray scattering and ab initio lattice dynamics calculations


  • Résumé

    The classical methods in the study of lattice dynamics, such as inelastic neutron and x-ray scattering, are and will remain flux-limited, consequently the measurements are time consuming. To maximise the yield of these techniques, measurement strategies need to be established prior to the experiment. These strategies can be elaborated and optimised by lattice dynamics calculations and thermal diffuse scattering. Measuring thermal diffuse scattering is a simple experiment where extended regions of reciprocal space can be rapidly explored in detail and characteristic features of the lattice dynamics identified. Slower spectroscopy measurements can then be applied on the selected regions of interest to gain access to the energy and intensity of individual vibrations. Moreover, in some cases the input of thermal diffuse scattering may become so constraining for the (quasi)harmonic lattice dynamic calculation, that inelastic scattering experiment will not be a necessary ingredient for the recovery of a self-consistent picture of the dynamics. In the frame of this work, the combination of thermal diffuse scattering, inelastic x-ray scattering and lattice dynamics calculations from first principles ab initio is applied to study the lattice dynamics of single crystals. Both diffuse scattering intensities and inelastic spectra determined by experiment are compared to the ones calculated ab initio. The combination of these three techniques gives access to the full lattice dynamics in the harmonic description and permits valuable new insights into the vibrational properties. The reader will be introduced to the key formalism of lattice dynamics, inelastic and thermal diffuse scattering. Methods for the calculation of vibrational properties from first principles are discussed, followed by a guideline for well converged calculations. The experimental techniques used in this work are presented and new possibilities for combined studies examined. The methodology is illustrated for several benchmark systems. Two silica polymorphs - coesite and alpha-cristobalite – were chosen as examples for covalent systems and investigated in detail. The experimentally validated calculation was used for the analysis of eigenvectors and eigenvalues of different modes, and their contribution to the total and partial density of vibrational states. Comparison with the most abundant silica polymorph - alpha-quartz - and germanium oxide in alpha-quartz structure reveals distinct similarities and differences in the low-energy vibrational properties. Metallic tin polymorphs were chosen to study the influence of the electron subsystem on inter-ionic interactions and the lattice dynamics. Tin exhibits both interesting structural properties and a complex Fermi surface. An unusual asymmetry of thermal diffuse scattering is observed which can be explained within the frame of harmonic lattice dynamics. Finally, the established method is applied to ice which exhibits not only characteristic thermal diffuse scattering but also static contributions from the hydrogen disorder. The methodology proposed in the present work provides a powerful tool in the study of lattice dynamics and will be applicable to a large variety of systems. The studies can be extended to extreme conditions involving very high pressures and a large temperature range. It may be also used to study localised properties of atomic vibrations in systems with broken symmetries, e.g. disorder or surface effects.


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