Relations structures-propriétés physiques de composés fer-oxygène à hautes températures et pressions multimégabars – FEOX

Les propriétés structurales et physiques tout comme le comportement hautes-pressions hautes-températures des composés du système Fe-O sont très controversés et réservent toujours un grand nombre de surprises malgré une recherche longue et intense. De nombreux oxydes de fer aux stœchiométries jusqu’alors inconnues ont par exemple été obtenus sous pression ces dix dernières années. Ces matériaux sont potentiellement très importants en géosciences (et en sciences planétaires) en tant que i) phases probables lors de l’accrétion de la Terre, 2i) composés possibles du manteau terrestre actuel ou afin de contrôler la fugacité d’oxygène du manteau, de la frontière manteau-noyau et au sein du noyau. De plus, ces oxydes de fer possèdent aussi des propriétés électroniques et magnétiques de grand intérêt tant pour la physique de l’état solide, la chimie et les sciences des matériaux que pour d’éventuelles applications technologiques (comme élément de commutation électronique et mémoires).
Les oxydes de fer seront synthétisés dans une gamme de conditions de pression/température pouvant atteindre/voire dépasser 200 GPa et 3500 K et étudiés in-situ dans des cellules à enclumes diamant en utilisant les techniques adéquates et complémentaires suivantes : la diffraction des rayons X, les spectroscopies Raman et Mössbauer (et quand cela sera possible la spectroscopie d’absorption X et les mesures de résistivité électrique) et par calculs théoriques. L’objectif méthodologique de ce projet est d’étendre les études de diffraction monocristalline des rayons X au-delà de 200 GPa. Nous accorderons une attention particulière aux études de FeO, Fe3O4, Fe2O3, Fe4O5, Fe5O6, Fe5O7, Fe7O9, et FeO2. Le but ultime de ce projet sera de construire un diagramme de phases (P-T-X) du système Fe-O couvrant les conditions relatives au manteau terrestre entier et à une part significative du noyau ; déterminer comment les transformations induites sous pression-température des composés du système Fe-O pourraient affecter les modèles géochimiques des profondeurs de la Terre ; déterminer les relations entre la structure, la liaison chimique, et les propriétés des différents oxydes de fer ; et formuler les principes de cristallochimie gouvernant le comportement des oxydes de métaux de transition aux conditions extrêmes P-T.
Concrètement, nous allons nous focaliser sur l’examen des questions suivantes :
- Quelles structures cristallines adoptent FeO, Fe3O4, Fe2O3, Fe4O5, Fe5O6, Fe5O7, Fe7O9, et FeO2 jusqu’à des pressions de l’ordre de 200 GPa et à hautes températures ?
- Quels composés du système Fe-O peuvent exister pour des pressions supérieures à 200 GPa et des températures jusqu’à 3500 K ?
- Comment la pression, la température et la fugacité d’oxygène affectent l’équilibre des phases du système Fe-O ?
- Quels sont les configurations électroniques (état de spin, degré d’oxydation) du fer dans les différents composés Fe-O ?
- Quelles sont les conditions P-T de formation et les champs de stabilité des composés FeO2Hx (0 < x = 1)?
- Quelles implications ces résultats ont-ils pour le manteau terrestre inférieur, pour la frontière noyau-manteau et pour la minéralogie du noyau et la géochimie ?