Étude de quelques propriétés de superhydrures à haute pression et à haute température

Study of some properties of superhydrides at high pressure and at high temperature

• Auteur / Autrice : Maélie Caussé
• Direction : Grégory Geneste, Paul Loubeyre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière sous conditions extrêmes (Bruyères-le-Châtel, Essonne ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Roch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julia Contreras-García, Claudia Livia Zlotea, Nathalie Vast, Stefan Klotz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julia Contreras-García, Claudia Livia Zlotea
• DOI : 10.70675/07c837ffzc22ez4427z8bd8zc8c596192fd2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Superhydrures

Théorie de la fonctionnelle de densité

Dynamique moléculaire

Métaux -- Teneur en hydrogène

Hautes pressions

Rayons X -- Diffraction

Mots clés libres

DFT

Haute pression

Cellule à enclumes de diamant

Superhydrures

Dynamique moléculaire ab initio

DFT

High pressure

Diamond anvil cell

Superhydrides

Ab initio molecular dynamic

Résumé

Ces dix dernières années, une nouvelle chimie de l'hydrogène avec les métaux a été observée sous hautes pressions. Des composés très riches en hydrogène, appelés superhydrures, se forment dans le domaine des 100 GPa. Certaines propriétés remarquables de ces composés ont été mises en évidence comme une supraconductivité BCS à très haute température critique, dans le superhydrure de lanthane (LaH₁₀) avec un sous-réseau en cages d'hydrogène et une supraconductivité à -23° C. Une question très actuelle est de savoir si de tels composés peuvent être stables à pression ambiante et la piste des hydrures ternaires est actuellement explorée. Dans un premier temps, grâce à des calculs de dynamique moléculaire ab initio, nous avons mis en évidence une nouvelle propriété de LaH₁₀ : la superionicité, qui indique une diffusion très rapide des ions hydrures. La superionicité stabilise également LaH₁₀ à très haute température. Cette propriété devrait exister pour d'autres superhydrures. Dans un second temps, nous avons recherché des hydrures ternaires dans le système Y-Fe-H. En comprimant, sous forte pression d'hydrogène dans une presse à enclumes de diamant, le composé de Laves YFe₂, bien connu pour ses capacité de stockage d'hydrogène à pression ambiante, nous avons découvert deux hydrures interstitiels, YFe₂H₆ et YFe₂H₇. Nous avons également démontré une limite à l'incorporation d'hydrogène dans ce type de composés. Ces deux composés ne sont pas stables à pression ambiante. Enfin, à l'aide d'un chauffage laser, nous avons synthétisé l'hydrure ternaire Y₃Fe₄H₂₀ qui a pu être ramené métastable à pression ambiante. La structure et les propriétés de ce superhydrure ont été caractérisées par diffraction X sur monocristal et par calculs ab initio. Une structure inédite pour un hydrure est mise en évidence avec des entités anioniques [FeH₈] reliées entre elles et formant des cages autour des cations d'yttrium. Ce composé est métallique et cette structure pourrait servir de modèle pour trouver un hydrure ternaire supraconducteur stable à pression ambiante.

Over the past ten years, a new chemistry of hydrogen with metals has been observed under high pressures. Very hydrogen-rich compounds, called superhydrides, form in the 100 GPa range. Remarkable properties of these compounds have been highlighted, such as BCS superconductivity at very high critical temperatures, like LaH₁₀ with a hydrogen cage sublattice and superconductivity at -23 ° C. A current question is whether such compounds can be stable at ambient pressure, and the path of ternary hydrides is currently being explored. Firstly, using ab initio molecular dynamics calculations, we have revealed a new property of LaH₁₀ : superionicity, which indicates very rapid diffusion of hydride ions. This property should exist for other superhydrides. Secondly, we have searched for ternary hydrides in the Y-Fe-H system. By compressing, under high hydrogen pressure in a diamond anvil press, the Laves phase compound YFe₂, well known for its hydrogen storage capacity at ambient pressure, we discovered two interstitial hydrides, YFe₂H₆ and YFe₂H₇. We also demonstrated a limit to hydrogen incorporation in this type of compound. These two compounds are not stable at ambient pressure. Finally, using laser heating, we synthesized the ternary hydride Y₃Fe₄H₂₀, which was brought back metastable at ambient pressure. The structure and properties of this superhydride were characterized by single-crystal X-ray diffraction and ab initio calculations. An unprecedented structure for a hydride is highlighted with [FeH₈] anionic entities linked to each other and forming cages around yttrium cations. This compound is metallic and this structure could serve as a model to find a ternary hydride superconductor stable at ambient pressure.