Etude de la structure des verres des systèmes TeO2-MxOy (M = Ti, TI) par diffusion totale des rayons X et dynamique moléculaire

par Lyna Torzuoli

Thèse de doctorat en Matériaux céramiques et traitements de surface

Sous la direction de Olivier Masson et de David Hamani.

Soutenue le 03-12-2020

à Limoges , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et Ingénierie des Matériaux, Mécanique, Energétique (Poitiers) , en partenariat avec Institut de Recherche sur les CERamiques (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Thomas.

Le jury était composé de Olivier Masson, David Hamani, Guido Ori.

Les rapporteurs étaient Andrea Piarristeguy, Evelyne Lampin.

mots clés

• Dioxyde de tellure TeO2
• Verres tellurites
• Structure de verre
• Dioxyde de titane TiO2
• Fonction de distribution de paires (PDF)
• Dynamique moléculaire classique
• Potentiel interatomique (IAP)
• Séparation de phases
• Microségrégation
• Tellurite (minéralogie)
• Oxyde de titane
• Dynamique moléculaire quasi-classique
• Simulation

Résumé

Ce travail de thèse constitue une contribution à la compréhension de la structure de verres à base de TeO2, notamment au sein des systèmes binaires TeO2-TiO2 et TeO2-Tl2O. La spectroscopie Raman et la diffusion totale des rayons X (extraction des fonctions de distribution de paires) ont permis de déterminer que la structure du verre évolue fortement avec l'ajout de Tl2O tandis que l'ajout de TiO2 n'entraîne pas d'évolution structurale significative. Des simulations par dynamique moléculaire sont réalisées pour la première fois dans le système TeO2-TiO2. Pour cela, nous avons affiné un jeu de potentiels interatomiques Te(IV)-O transférable aux matériaux tellurites, permettant de reproduire les structures des polymorphes de TeO2 ainsi que celles de plus d'une douzaine de composés cristallins à base de TeO2. La structure simulée du verre pur TeO2 est composé majoritairement d'unités TeO4 et TeO3, engendrant une coordinence de l'atome Te de 3,71, inférieure à celle dans les polymorphes de TeO2. L'ajout de TiO2 renforce la connectivité du réseau tellurite via la diminution de la proportion d'atomes O terminaux et la création de ponts Te-O-X (avec X = Te, Ti), ce qui justifierait une amélioration des propriétés mécaniques et thermiques de ces verres.

mots clés

• Tellurium dioxide TeO2
• Tellurite glasses
• Glass structure
• Titanium dioxide TiO2
• Pair distribution function (PDF)
• Classical molecular dynamics
• Interatomic potential (IAP)
• Phase separation
• Microsegregation

Titre traduit

Structural study of TeO2-MxOy glasses by X-ray total scattering and molecular dynamics

Résumé

This work aims to improve the structural description of the pure TeO2 glass and to give an insight of the structure of TeO2-MxOy binary glasses (M = Ti, Tl) by means of X-ray total scattering experiments and molecular dynamics (MD) simulations. We were able to determine, via Raman spectroscopy and X-ray total scattering experiments, that Tl2O causes the depolymerization of the glass structure whereas the addition of TiO2 leads to the conservation of Te(IV) environments. The MD simulations of the pure TeO2 glass and glasses within the TeO2-TiO2 system are carried out. First, we refined the Te(IV)-O interatomic potentials allowing us to reproduce TeO2 polymorphs as well as 14 crystalline structures containing TeO2. It was then demonstrated that the TeO2 glass consists largely of TeO4 and TeO3 units, giving a coordination number of 3.71, lower than that in the TeO2 polymorphs. Adding TiO2 tends to reinforce the connectivity within the tellurite framework via the reduction of the number of non-bridging oxygen atoms and the creation of Te-O-X bridges (with X = Te, Ti), which would justify the improvement of mechanical and thermal resistance of these glasses.