Étude de diffraction des rayons X en temps résolu de la dépendance en taille des changements de phase photoinduits dans des oxydes de métaux de transition

Time-resolved XRD study of size dependence in the photoinduced phase change in transition metal oxides

• Auteur / Autrice : Ritwika Mandal
• Direction : Maciej Lorenc, Céline Mariette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : S3M
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Turban
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maciej Lorenc, Céline Mariette, Amélie Jarnac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kristoffer Haldrup, Renske van der Veen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes électroniques

Dynamique ultra-rapide

Rayons X -- Diffraction

Transitions de phases

Mots clés libres

Transition de phase photoinduite

Dynamique ultrarapide

Systèmes électroniques corrélés

Photoinduced phase transition

Ultrafast dynamics

Correlated electron systems

Résumé

Ces dernières années, avec le développement du laser ultrarapide et intense, des opportunités sans précédent sont apparues pour modifier les propriétés macroscopiques des matériaux de manière efficace et ultra-rapide. Les techniques d’analyse avancées, en particulier la diffraction des rayons X en temps résolue, permettent de sonder la structure des matériaux photo-excités avec les résolutions temporelles adéquates, des échelles de temps sous-ps a la microseconde et au-delà. Cette étude se focalise principalement sur les systèmes électroniques corrélés, les composes de T i 3 O 5 et V 2 O 3 . Il a été démontré récemment que la transformation macroscopique dans des matériaux photo-excitables a changement de volume suit l’onde de déformation. Ici, nous avons cherché à comprendre ce mécanisme d’ondes de déformations dans les systèmes électroniques corrélés en étudiant deux systèmes présentant des changements de volume de différents types au cours de la transition de phase. La transition de phase semi-conducteur (β) à métal (λ) dans T i 3 O 5 est associée à un changement de volume significatif. V 2 O 3 , d’autre part, subit à la fois une contraction de volume et un changement de symétrie lors de la transition isolant (AFI) -métal (PM). Une partie de ce travail de doctorat est consacrée au mécanisme de commutation à l’échelle de la nanoseconde dans T i 3 O 5 . Sur ces échelles de temps, la transition de la phase β- à λ se propage à l’intérieur et à travers les joints de grains (entre les nanocristaux). Nous montrons que cette dynamique dépend de la taille des nanocristaux. Nous étudions cette croissance de la phase photoinduite lors de la dissipation de la chaleur et recherchons des corrélations entre ce processus lent et les la forme des domaines nanoscopiques résultant de la transition induite par l’onde de déformation, se produisant sur une échelle de temps ultra-rapide. Les résultats sont rationalisés par une simulation numérique basée sur un modèle 2D de diffusion de chaleur, qui cartographie la distribution de phase dans ces échantillons polycristallins. Dans V 2 O 3 , la dynamique ultrarapide est régie par la propagation des déformations longitudinales dans l’épaisseur du film et par les déformations de cisaillement au sein des cristallites. Grâce a la morphologie des échantillons et a la photo-excitation homogène, aucune réponse lente n’est observé dans ce cas. Notre étude structurale à un délai de 100 ps après la photo-excitation montre une séparation de phase à une fluence laser au delà d’une fluence seuil, et une transformation complète au delà de la fluence de saturation.

In recent years with the development of ultrafast and intense laser, unprecedented opportunities have emerged to modify macroscopic properties of materials in ultrafast and efficient manner. Advanced probing technique, in particular time-resolved X-ray diffraction, allows to probe the structure of photo-excited materials with relevant time resolutions, from sub-ps to us and beyond. This study primarily focuses on correlated electron systems, namely T i 3 O 5 and V 2 O 3 compounds. It has been recently demonstrated that strain wave is the pathway for macroscopic transformation in photo-excitable volume changing materials. Here, we sought to understand this strain wave mechanism in correlated electron systems by studying two systems with contrasting volume changes across phase transitions. The semiconductor (β-) to metal (λ-) phase transition in T i 3 O 5 is associated with a significant volume expansion. V 2 O 3 , on the other hand, undergoes both volume contraction and symmetry breaking during the insulator (AFI) to metal (PM) transition. A part of this work is dedicated to the switching mechanism on the nanosecond times scale in T i 3 O 5 . On these time-scales, the transition from β- to λ-phase propagates within and across grain boundaries (between nanocrystals). We show that this dynamics depends of the size of the nanocrystals. We monitor how the photo-induced phase grows upon dissipating heat, and seek correlations of this slow process with nanoscopic patterns left by strain driven transition occurring on the ultrafast timescale. The results are rationalised with numerical simulation based on a 2D-model of heat diffusion, which maps the phase distribution of the polycrystalline samples. In V 2 O 3 , the ultrafast dynamics are governed by the longitudinal strain propagation within the film thickness and shear strain within the crystallites. Thanks to the morphology of the sample and homogeneous photoexcitation, no late response was observed in this case. The study shows an evidence of phase separation at intermediate laser fluence and complete transformation at saturating fluence at 100 ps time delay after photoexcitation.