Croissance hydrothermale de monocristaux isotypes du quartz-alpha, étude des propriétés physiques et recherche de nouvelles solutions solides avec des oxydes du bloc p (Ge, Sn) et du bloc d (Mn, V, Ti)

Hydrothermal growth of isotypes of alpha-quartz single crystals, study of the physical properties and research of new solid solutions with oxides of p block (Ge, Sn) and d block (Mn, V, Ti)

• Auteur / Autrice : Damien Clavier
• Direction : Olivier Cambon, Julien Haines
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 08/10/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Papet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Cambon, Julien Haines, Philippe Papet, Christine Martin, Laurent Lebrun, Hugues Cabane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Martin, Laurent Lebrun

Mots clés

Mots clés contrôlés

Germanium

Optique non linéaire

Piézoélectricité

Monocristaux

Quartz

Mots clés libres

Monocristaux

Piezoelectricité

Croissance hydrothermale

Solution solide

Quartz

Optique non linéaire

Single Crystals

Piezoelectricity

Hydrothermal growth

Solid solution

Quartz

Nonlinear optics

Résumé

Dans le domaine des cristaux piézoélectriques, le quartz est l'un des plus employés dans l'industrie électroniques pour des applications comme oscillateurs ou dans le domaine temps-fréquence. Le quartz-alpha SiO2 montre une décroissance de ses propriétés au-delà de 250°C, une transition de phase alpha-beta à 573°C et un faible coefficient de couplage électromécanique k autour de 8%. Bien que ses propriétés d'optique non-linéaire soient bien connues, son faible coefficient chi2 ne lui permet pas d'être utilisé dans des dispositifs doubleurs de fréquence. L'objectif de cette étude est d'augmenter la distorsion structurale et la polarisabilité de ce matériau en substituant une partie des atomes de silicium par des atomes plus volumineux tels que le germanium ou d'autres éléments. Afin de faire croitre des cristaux de taille centimétrique, la technique hydrothermale a été employée dans des autoclaves hautes pressions. Des cristaux de quartz-alpha de type Si(1-x)GexO2 ont été réalisés sur des germes de quartz-alpha SiO2 (001). Des cristaux volumineux avec différentes teneurs en germanium ont été obtenus puis analysés par spectroscopie infrarouge et par EPMA. Les propriétés piézoélectriques et d'optique non-linéaire ont été mesurées sur ces cristaux montrant une augmentation des propriétés physiques. Puis des croissances cristallines avec des atomes plus volumineux que le germanium ont été réalisées afin d'en augmenter davantage les propriétés physiques. Des substitutions par les éléments suivants ont été entreprises : Mn, V, Ti, et Sn

In the field of piezoelectric crystals, quartz is one of the widely used materials in industry for electronic device application as oscillators for the time-frequency domain. alpha-Quartz SiO2 shows a decrease of its piezoelectric properties above 250°C, an alpha-quartz to beta-quartz phase transition at 573°C and a low electromechanical coupling factor of about 8%. Although its nonlinear optics properties are well known, its low chi2 coefficient prevent it to be used in frequency doubling devices. The goal of this study is to increase the structural distortion and the polarizability of this material by substituting part of the silicon atoms with larger atoms such as germanium or other elements. In order to grow centimeter-size single crystals we use hydrothermal methods in high-pressure autoclaves. Crystal growth of mixed alpha-quartz Si(1-x)GexO2 crystals was successfully performed on pure alpha-quartz SiO2 (001) seeds. Large crystals with different germanium content were obtained and analyzed by infrared spectroscopy and EPMA. Piezoelectric and nonlinear optical properties were measured on these crystals, which exhibit a improved physical properties. Then crystal growths with larger elements than germanium were performed in order to further improve their physical properties. Substitution by the following elements: Mn, V, Ti and Sn were investigated.