Dielectric relaxation, electrostrictive properties and Raman light scattering in PbZrO3 and PbHfO3 single crystals pure and doped with small amount of PbTiO3

par Irena Jankowska-Sumara

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Godefroy Kugel et de Krystian Roleder.

Soutenue en 1997

à Metz en cotutelle avec l'Université de Silésie, Pologne .

  • Titre traduit

    Relaxation diélectrique, propriétés électrostrictives et diffusion Raman de lumière par des monocristaux de PbZrO3 et PbHfO3 purs et faiblement dopés avec des ions Ti


  • Résumé

    Le travail de recherche est une étude de la relaxation diélectrique, des propriétés électrostrictives et de la diffusion de lumière Raman dans deux systèmes pérovskites à base de plomb dopés au titane : _ le système PbZrO3 pur ou faiblement dopé par des ions de Ti _ le système PbHfO3 pur ou faiblement dopé par des ions de Ti qui ont comme caractéristique commune de présenter une (pour PbZrO3) voire deux (pour PbHfO3) transitions de phase structurales vers des phases anti-ferroélectriques (AFE). Le but des travaux de la thèse est d'étudier expérimentalement et théoriquement les transitions de phase structurales exhibées par les deux systèmes, et notamment celles menant à des phases AFE, ainsi que d'en comprendre les mécanismes. Pour arriver à ces objectifs, il a été mis en œuvre des mesures de relaxation diélectrique, des propriétés électrostrictives et de diffusion de lumière Raman, cela dans des intervalles de températures allant 10 k à 700 k et dans des gammes de fréquences de 10 hz à 10 mhz pour les mesures diélectriques et électrostrictives. Les différentes mesures ont été réalisées sur des monocristaux purs de PbZrO3 et de PbHfO3 et sur des monocristaux présentant de faible dopage (de l'ordre de 1%) en ions Ti. Le développement de la thèse comporte quatre parties détaillant les différentes phases du travail. Le premier chapitre, consacré à un rappel des propriétés diélectriques et structurales des deux systèmes étudiés, pose l'objet scientifique de l'étude envisagée en la situant dans le champ des connaissances déjà acquises et en posant les problèmes non résolus et abordes. Le second chapitre du mémoire est consacré aux propriétés diélectriques des cristaux étudiés. A partir des éléments théoriques essentiels concernant les fonctions de susceptibilités diélectriques de matériaux isolants et du rappel des conditions et dispositifs expérimentaux mis en œuvre, ce chapitre donne un aperçu systématique des résultats expérimentaux obtenus. Une forte relaxation a été mise en évidence à la basse fréquence et est attribuée à des processus de type électrochimique. Les échantillons étudiés présentent également la propriété commune d'une dispersion diélectrique significative dans le domaine du khz attribuée aux impuretés et à des désordres dans le sous-réseau des ions oxygène. Le troisième chapitre du mémoire décrit les études électromécaniques entrepris sur les systèmes cristallins analyses et montre l'apparition, simultanément aux relaxations dipolaires, de dispersions de la déformation électrostrictive. Le quatrième chapitre de la thèse, concernant une étude expérimentale systématique de la diffusion de lumière Raman met en évidence l'existence d'amas dipolaires dynamiques dans la phase paraélectrique ainsi que l'occurrence d'un mode ferroélectrique mou. Par ailleurs, les contributions respectives des dynamiques phononiques et relaxationnelles sont analysées lors de la transition de phase PE - AFE2 - AFE1


  • Résumé

    The research concerns a study of the dielectric relaxation, the electrostrictive properties and the Raman light scattering of two lead based and titanium doped perovskites : the PbZrO3 system, pure and weakly Ti doped ; the PbHfO3 system, pure and weakly Ti doped. These systems have the common characteristics to exhibit one (for PbZrO3) structural phase transitions towards antiferroelectric phases (AFE). The aim of the thesis is to study experimentally and theoretically the phase transitions exhibited by these two systems, and especially those leading to the AFE phases, and to understand their mechanisms. In order to reach these objectives, dielectric relaxation, electrostrictive and light scattering measurements have been performed in a temperature range from 10 K to 700 K and for frequencies from 10Hz to 10 MHz for the dielectric and electrostricitve investigations. The measurements have been performed on monocristals of PbZrO3 and PbHfO3 pure or lightly (about 1%) Ti doped. The thesis is constitued by four parts, each of it detailing the various phases of the study. The first part, devoted to a recall of the dielectric and structural properties, states the scientific purpose of the investigation. The second chapter is concerned with the dielectric behaviour of the systems. Starting from theoretical elements necessary to understand the susceptibility functions of insulating materials and based on the experimental disposal used in the investigations, this part details the main experimental data obtained. A strong relaxation has been evidenced at low-frequency and is attributed to electro-chemical processes. The samples also present a significant dielectric dispersion in the kHz range interpreted to be due to impurities and disorder in the oxygen sublattice. The third chapter of the thesis describes the electromechanical studies and shows appearance, simultaneously with dipolar relaxation, of dispersions due to electrostrictive deformations. The last part, concerned with a systematic Raman light scattering study, shows the existence of dynamical dipolar cluster in the paraelectric phase as well as indications of a ferroelectric soft mode occurence. The respective contributions of the vibrational and relaxational dynamics are analysed at the PE-AFE2-AFE1 phase transitions

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Informations

  • Détails : 1 vol. (122 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. f. 118-122

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