DS0303 - Produits (conception, procédés et matériaux)

Verres de tellurures en tant que matériaux applicatifs pour l'infrarouge lointain : une approche théorique et spectroscopique – IRTeGlass

Verres de tellure pour des applications dans l'infra-rouge lointain : une approche théorique et spectroscopique

Structure de verres spéciaux au tellure, transparents dans l’infrarouge lointain

Rationalisation à l’échelle atomique de la structure de verres à base de tellure dotés de larges fenêtres de transparence infrarouge

Comme la grande majorité des matériaux vitreux, la structure intime des verres à base de tellure est largement méconnue. Il en découle que la compréhension et l’optimisation des propriétés mécaniques, optiques, électriques de ces matériaux reposent essentiellement sur un ensemble de données issues de l’expérience et d’approches empiriques.<br />L’objectif du projet visait à aboutir à une connaissance approfondie de la structure à l’échelle atomique de trois familles de verres ternaires à base de tellure : Ge-Te-Se, Ge-Ga-Te et Ge-Te- I, en préalable à la rationalisation de leurs propriétés physiques. Ces matériaux se caractérisent par des fenêtres de transparence infrarouge très étendues et une stabilité accrue vis-à-vis des processus de dévitrification, par rapport à la composition parente GeTe4. L’amélioration de la stabilité de ces verres a été obtenue par la substitution de faibles taux (typiquement < 10%) de tellure par du sélénium/de l’iode ou du germanium par du gallium. L’interprétation du rôle spécifique de ces substituants sur la structure de la matrice vitreuse constituait l’une des motivations de ce projet centré sur l’étude de verres spéciaux pour l’optique.

Le projet s’appuie pour atteindre ses objectifs sur deux piliers complémentaires, l’un expérimental et l’autre théorique. Pour les différents systèmes envisagés, des échantillons de verres ont été produits expérimentalement et in silico au moyen de calculs de dynamique moléculaire. Chaque échantillon macroscopique a fait l’objet d’acquisitions spectroscopiques par des méthodes sensibles à l’ordre local (RMN, IR/Raman). Ces données ont été confrontées à des calculs de paramètres RMN et à des simulations de spectres IR/Raman sur nos modèles, ceci afin de réaliser la phase de rationalisation de la structure des matériaux. Les dynamiques moléculaires ont au final été réalisées dans le cadre du formalisme Car-Parrinello qui s’est révélée plus robuste que la méthode Second Generation Car Parrinello initialement pressentie. Dans ce contexte d’étude sur des verres à éléments lourds, une phase de validation et de calibration du formalisme calculatoire a été menée à bien pour la détermination des paramètres RMN théoriques et initiée sur des systèmes cristallins représentatifs. Un certain nombre des systèmes cristallins cibles ont été synthétisés spécifiquement pour cela.

Dans le volet consacré à l’étude des système cristallins, une méthodologie qui permet de reproduire plus fidèlement les spectres en résonance magnétique nucléaire (RMN) du solide a été mise au point. Pour les matériaux amorphes, une compréhension fine de la structure de verres ternaires Ge-Te-Se, utilisable en optique infrarouge, a été obtenue en associant des sondes locales (RMN; IR/Raman) et la dynamique moléculaire. Une avancée analogue a été obtenue pour les verres dans le système Ga-Ge-Te en associant spectroscopie IR/Raman, facteurs de structure et calculs. La mise à disposition de la communauté d’une version corrigée du logiciel de dynamique moléculaire pour le calcul de spectres Raman constitue également un fait marquant.

Les travaux réalisés pourront se poursuivre sur des compositions avec des taux différents de Ga/Se ou I pour analyser l'impact de ce taux sur la structuration et les propriétés du matériau

- Impact of Te on the structure and 77Se NMR spectra of Se-rich Ge–Te–Se glasses: a combined experimental and computational investigation
L. Bouëssel du Bourg, C. Roiland, L. le Pollès, M. Deschamps, C. Boussard-Plédel, B. Bureau, C. J. Pickard, E. Furet, Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 29020-29026. DOI: 10.1039/C5CP04416B
- Role of the van der Waals interactions and impact of the exchange-correlation functional in determining the structure of glassy GeTe4
A. Bouzid, C. Massobrio, M. Boero, G. Ori, K. Sykina, E. Furet, Phys. Rev. B 2015, 92, 134208-134228. DOI: 10.1103/PhysRevB.92.134208
- First-principles study of the atomic structure of glassy Ga10Ge15Te75
Z. Chaker, G. Ori, M. Boero, C. Massobrio, E. Furet, A. Bouzid, J. Non-Cryst. Solids, 2018, 498, 338-344 DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2018.03.039
- Study of the Ge20Te80-xSex glassy structures by combining solid state NMR, vibrational spectroscopies and DFT modelling
C. Gonçalves, R. Mereau, Virginie Nazabal, Catherine Boussard-Plédel, Claire Roiland, E. Furet, M. Deschamps, B. Bureau, M. Dussauze
J. Solid State Chem., 2021, 297,.122062. ?10.1016/j.jssc.2021.122062?
- Quantitative assessment of the structure of Ge20Te73I7 chalcohalide glass by first-principles molecular dynamics A. Bouzid, T.-L. Pham, Z. Chaker, M. Boero, C. Massobrio, Y.-H. Shin, and G. Ori Phys. Rev. B 103, 094204

Récemment, l'équipe « Verres & Céramiques » de l'UMR 6226 de Rennes a développé une nouvelle génération de verres au tellure dans les systèmes ternaires Ge-Te-Se, Ge-Ga-Te et Ge-Te-I. Ces matériaux présentent des fenêtres de transparence infrarouge parmi les plus larges observées à ce jour, ainsi que des propriétés mécaniques intéressantes pour la réalisation d'applications en optique passive, comme la mesure déportée ou l'imagerie thermique.

L’incorporation de faibles taux, typiquement moins de 10%, de gallium, d’iode ou de sélénium aboutit, par comparaison à la composition mère GeTe4, à une nette amélioration de la capacité de vitrification et de résistance à la dévitrification de ces matériaux. Le rôle précis joué par ces éléments au sein de la matrice vitreuse reste inexpliqué et leur impact sur la structure du verre et ses propriétés physiques doit être clarifié.

Notre projet vise à développer une synergie entre méthodes expérimentales et théoriques (dynamique moléculaire ab initio, calculs de paramètres RMN de l’état solide, simulations infrarouge/Raman, mesures infrarouge/Raman et spectroscopie RMN de l’état solide) pour rationaliser la structure et les propriétés optiques de cette nouvelle génération de verres de tellurures qui présentent des domaines de transparence qui s’étendent jusqu’à l’infrarouge lointain.

Coordination du projet

Eric Furet (Institut des Sciences Chimiques de Rennes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ISCR Institut des Sciences Chimiques de Rennes
CNRS-IPCMS Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg
ISM Institut des Sciences Moléculaires
CEMHTI Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation

Aide de l'ANR 448 727 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 36 Mois

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