Élaboration, structure et caractérisation mécanique de verres et de vitrocéramiques oxyazotés mécanoluminescentes du système BaO-SiO₂-Si₃3N₄

Elaboration, structure and mechanical characterization of oxynitride glasses and mechanoluminescent glass-ceramics from the BaO-SiO₂-Si₃3N₄ chemical system

• Auteur / Autrice : Alexis Duval
• Direction : Tanguy Rouxel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 16/11/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Science de la Matière, des Molécules et Matériaux (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Franck Tessier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lothar Wondraczek, Virginie Nazabal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Allix, Philippe Smet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Luminescence

Propriétés mécaniques

Verre d'oxydes

Mots clés libres

Verres

Oxynitrures

Propriétés mécaniques

Vitrocéramiques

Luminescence

Mécanoluminescence

Glasses

Oxynitrides

Mechanical properties

Glass-Ceramics

Luminescence

Mechanoluminescence

Résumé

Les verres oxyazotés sont des verres d’oxydes dont une partie des atomes d’oxygène est substituée par des atomes d’azote. Dans cette thèse, plusieurs verres oxyazotés du système BaO-Al₂O3-SiO₂-Si₃3N₄ ont été élaborés à l’aide d’une installation sous atmosphère contrôlée, et leur structure a été explorée.Leu rs grandes propriétés mécaniques (ténacité, élasticité, dureté) découlent d’une distribution homogène de l’azote dans le réseau vitreux, ainsi que d’une augmentation de la densité volumique d’énergie. Puis, les propriétés luminescentes et mécanoluminescentes de cristaux Ba₄Si₆O₁₆:Eu²⁺, RE ont été étudiées. Le rôle des lacunes d’oxygène dans le mécanisme de luminescence a été identifié. Cette étude a aussi permis de définir une composition verrière, où le taux de réduction de l’europium a été contrôlé (et déterminé par spectroscopie Mössbauer) en définissant le taux de Si₃3N₄. Une vitrocéramique massive a été obtenue à travers la cristallisation congruente de ce verre, dont la mécanoluminescence a été étudiée à travers plusieurs essais mécaniques. La nature de la contrainte mécanique (compression, traction, cisaillement) a une incidence considérable sur le comportement et sur l’intensité de la mécanoluminescence. Ces observations sont corroborées par des calculs réalisés par DFT : les niveaux d’énergie des lacunes d’oxygène dans la bande interdite dépendent de la nature et de la valeur de la contrainte mécanique appliquée.

Oxynitride glasses are oxide glasses where a part of the oxygen atoms is substituted by nitrogen atoms. In this thesis, several oxynitride glasses from the BaO-Al₂O3-SiO₂-Si₃3N₄ chemical system were elaborated using an atmosphere-controlled installation, and their structure was investigated. Their high mechanical properties (fracture toughness, elasticity, hardness) stem from a homogeneous distribution of nitrogen in the glass network, and from an increase of the volume density of energy. Then, the luminescent and mechanoluminescent properties of Ba₄Si₆O₁₆:Eu²⁺, RE crystals were studied. The role of oxygen vacancies in the luminescence mechanism was identified. This study also made it possible to build a glass composition, where the reduction rate of europium was controlled (and determined using Mössbauer spectroscopy) by defining the Si₃3N₄ content. The congruent crystallization of the glass made it possible to obtain a bulk glass-ceramic, whose mechanoluminescence was studied through various mechanical tests. The nature of the mechanical stress (compression, traction, shear) has a strong incidence on both the mechanoluminescence behavior and intensity. Those observations were corroborated by DFT calculations: the energy levels associated with oxygen vacancies in the band gap depend on both the nature and the amplitude of the applied mechanical stress.