京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(人間・環境学) / 甲第25385号 / 人博第1127号 / 新制||人||262(附属図書館) / 京都大学大学院人間・環境学研究科相関環境学専攻 / (主査)教授 内本 喜晴, 教授 田部 勢津久, 教授 藤原 直樹, 教授 雨澤 浩史 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Human and Environmental Studies / Kyoto University / DFAM

Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux multiferroïques basés sur le concept très récent de la Ferroélectricité Hybride Impropre.Deux classes de matériaux ont été envisagées : les oxydes de type Ruddlesden-Popper NaRMO4 (R=Y, La; M= Mn, Cr) et les doubles pérovskites ordonnées NaLnCoWO6 (Ln= Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, and Yb). Les essais de synthèse sur la première classe n’ont pas permis d’obtenir les composés visés. Pour la seconde classe, l’ensemble des composés ont pu être obtenus par synthèse par voie solide à haute température. Les composés NaLnCoWO6 (Ln=La, Pr, Nd) ont été synthétisés à pression ambiante. L’usage des techniques de Hautes Pressions – Hautes Températures (HP-HT) a permis de stabiliser les composés contenant des terres rares plus petites et d’obtenir ainsi neuf nouveaux composés aux propriétés inédites.L’utilisation combinée de la diffraction sur poudre des rayons X au synchrotron et des neutrons a permis une étude structurale fine de la famille des doubles pérovskites ordonnées NaLnCoWO6. Les groupes d’espace ont été déterminés grâce aux affinements Rietveld des diffractogrammes de Rayons X sur poudre haute résolution. Les composés NaLnCoWO6 (Ln=La, Pr, Nd) cristallisent dans le groupe d’espace centrosymétrique C2/m tandis que les 9 nouveaux composés (Ln= Y, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, and Yb) cristallisent dans le groupe d’espace polaire P21. Des mesures de génération de seconde harmonique confirment la structure non-centrosymétrique des nouveaux composés. L’analyse adaptée des modes de symétrie des composés cristallisant dans la structure polaire montre que l’amplitude du mode polaire induit augmente avec la diminution de la taille du cation Ln3+. La polarisation estimée à partir des affinements de la structure pourrait atteindre jusqu’à ~20µC/cm2.Une transition de phase présentant une très large hystérésis en température (~150K) a été observée par diffraction des neutrons pour le composé NaLaCoWO6. De plus, les images obtenues en Microscopie Electronique en Transmission révèlent la présence de bandes dans la phase haute température. Cette superstructure présente une périodicité de 12ap selon la direction [100]p ou [010]p . On a pu montrer à l’aide d’observations en STEM (microscopie à balayage en transmission) combinées avec des mesures en EELS (spectroscopie de pertes d’énergie des électrons) que ce contraste de bandes n’est pas lié à une variation de composition mais bien à une variation structurale. Différents modèles de rotations des octaèdres d’oxygènes ont été élaborés pour valider les données expérimentales obtenues par diffraction des rayons X et de neutrons. Le schéma de rotation qui décrit au mieux les données est a-a-c0. Concernant la phase basse température le groupe d’espace attribué est le groupe polaire P21.Les caractérisations magnétiques ont été réalisées pour toutes ces phases. Tous les composés NaLnCoWO6 s’ordonnent dans une configuration antiferromagnétique. Les températures de Néel varient entre 4 et 13K en fonction de la nature de la terre-rare. Les moments effectifs déterminés par la loi de Curie-Weiss sont en accord avec les moments théoriques attendus. Toutes les températures de Weiss sont négatives traduisant le fait que les interactions antiferromagnétiques sont prépondérantes dans ces systèmes. Les structures magnétiques ont été déterminées pour les composés Ln= Y, La, Tb, and Ho. Pour ces mêmes composés, des mesures diélectriques en fonction de la température et du champ magnétique ont permis de mettre en évidence un couplage magnéto-diélectrique conséquent pour Ln=Y and Ho. Les mesures de courant pyroélectrique autour de la transition magnétique montrent qu’il existe une polarisation induite par l’ordre magnétique dans le composé NaYCoWO6.. C’est la première mise en évidence expérimentale d’un couplage magnéto-électrique dans la famille des doubles pérovskites ordonnées AA’BB’O6. / In this study, new magneto-electric materials were synthesized on the basis of the very recently recognized ferroelectric inducing mechanism, hybrid improper ferroelectricity, and structural and physical properties characterizations were carried out on these new phases.Two classes of materials were focused on: the Ruddlesden-Popper oxides NaRMO4 (R=Y, La; M= Mn, Cr) and the doubly ordered perovskites NaLnCoWO6 (Ln= Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, and Yb). Attempts to synthesize the former class failed to give the target phases. All compounds in the latter class were prepared successfully by solid-state reactions at high temperature, among which the compounds NaLnCoWO6 (Ln=La, Pr, Nd) were prepared at ambient pressure while the other nine compounds were synthesized at high pressure.The structural study of the doubly ordered perovskite family NaLnCoWO6 was performed by synchrotron X-ray powder diffraction (SXRPD) and neutron powder diffraction (NPD). Based on the Rietveld refinement of the SXRPD patterns, the space groups were assigned. NaLnCoWO6 (Ln=La, Pr, Nd) compounds crystallize in the centrosymmetric C2/m symmetry, whereas the other nine new compounds crystallize in the polar space group P21. Second harmonic generation measurements on powder confirmed the non-centrosymmetric structure of the new compounds. Symmetry mode analysis demonstrates that the amplitude of the induced polar mode increases with a decreasing Ln cation size. The amplitude of the polarization was estimated from the refined structures, and can be as large as ~20µC/cm2.A structural phase transition was observed by NPD in NaLaCoWO6 with a large temperature hysteresis of ~150K. In addition, stripes were observed on the high-resolution transmission electron microscopy (TEM) images in the high temperature phase. The periodicity of this superstructure is 12ap along either the [100]p or [010]p direction. Further investigations by scanning TEM and electron energy loss spectroscopy revealed that the contrast of the stripes is due to a structural modulation rather than a compositional variation. Octahedral tilt twinning models were built with different tilting schemes to fit the observed SXRPD and NPD patterns. The tilting scheme a-a-c0 describes successfully the data. The low temperature phase was unambiguously determined to possess the polar space group P21.Magnetic and electric properties were experimentally characterized. All NaLnCoWO6 compounds order antiferromagnetically below TN which is between 4 and 13K. Curie-Weill fits were performed for all compounds, yielding reasonable effective magnetic moments compared to the theoretical ones. Weiss temperatures were all determined to be negative further indicating that antiferromagnetic interactions are dominant in these systems. Magnetic structures were determined for four NaLnCoWO6 (Ln= Y, La, Tb, and Ho) compounds, of which two have non-magnetic Ln cations (Y and La) and two have magnetic ones (Tb and Ho). Magneto-dielectric coupling was experimentally observed in compounds NaLnCoWO6 (Ln=Y, Tb, Ho) by dielectric measurements as a function of temperature and magnetic field. Polarization was derived for the Y and Ho compounds from pyroelectric current measurement, however, only the NaYCoWO6 compound demonstrates a polar behavior which cannot be switched. This is the first evidence that electric polarization can be induced by the magnetic ordering in the AA’BB’O6 class materials.

Cette thèse porte sur l’étude de la synthèse et des données thermodynamiques des clathrates intermétalliques du système Na-Si, qui sont des matériaux pertinents pour les applications thermoélectriques et qui sont les précurseurs pour de nouvelles formes de Si prometteuses pour des applications photovoltaïques et photoniques. Dans ce travail la formation de clathrates Na-Si a été étudiée in situ et ex situ sous haute pression et haute température. Un nombre de nouvelles formes de silicium a été observé en chauffant des clathrates sous vide. Sous pression inférieure à 3 GPa les clathrates ne se forment pas par l’interaction des éléments. A la place, le siliciure Na4Si4 se forme et reste stable jusqu’à la fusion. Au-dessus de 3 GPa, Na4Si4 formé au début du chauffage, réagit avec l’excès de Si et donne Na30Si136 (structure II) et ensuite, si Na30Si136 réagit avec l’excès de Si pour former Na8Si46 (structure I) au dessous de 7 GPa et le clathrate NaSi6 au-dessus de 7 GPa. Des expériences ont été réalisées en utilisant des cellules standard Paris-Edimbourg (enclumes opposées) jusqu'à 6 GPa et la presse multi-enclumes pour les pressions au-dessus de 6 GPa. La forte sensibilité des produits de cristallisation à la concentration en sodium a été observée. Un schéma de transformations de clathrate pour les pressions entre 0 à 10 GPa et températures entre 300 et 1500 K a été proposé. Le diagramme de phase (concentration – température sous 4 GPa) qui représente les transformations observées et les domaines de stabilité a également été proposé et suggère l’existence de trois équilibres eutectiques : entre Si et structure I, entre structures I et II, et entre structure II et Na4Si4. Pour comprendre la thermodynamique et les interactions dans le système Na-Si, on a également effectué la modélisation du diagramme de phase à pression ambiante, ce que nous a permis de trouver les caractéristiques thermodynamiques de fusion et les équations des liquidus observés. Pour prendre en compte l’impact de la pression sur la thermodynamique, les équations d’état p-V-T de Si à structure diamant, structure I et la forme haute pression de structure II ont été utilisés. / The objective of this thesis is to study the synthesis and thermodynamics of intermetallic clathrates of the Na-Si system, which are the important materials for thermoelectric applications and are the promising precursors for new forms of Si for the photovoltaic and photonic applications. In this work the formation of the Na-Si clathrates have been studied in situ and ex situ at high pressure and high temperature. A number of new forms of silicon have been observed while heating the clathrates under vacuum. Under pressures below 3 GPa the clathrates does not form by the interaction of elements. Instead, the silicide Na4Si4 forms and remains stable up to melting. Above 3 GPa, Na4Si4 formed in the beginning of the heating, react with the excess of Si and gives Na30Si136 (structure II) and after that, if Na30Si136 react with the excess of Si, to form Na8Si46 (structure I) below 7 GPa and the clathrate NaSi6 above 7 GPa. The experiments have been performed by using the standard Paris-Edinburg cell (opposite anvils) up to 6 GPa and multianvil press for pressures above 6 GPa. The strong sensibility of the crystallization product to the concentration of sodium has been observed. The diagram of transformations in clathrates for pressures between 0 and 10 GPa and temperatures between 300 and 1500 K has been proposed. The phase diagram (concentration – temparature at 4 GPa) that represents the observed transformations and stability domains has been also proposed and suggests the existence of three eutetic equilibria: between Si and structure I, between structures I and II, and between structure II and Na4Si4. To understand the thermodynamics and interactions in the system Na-Si, the modelisation of phase diagram at ambient pressure has also been performed that allowed us to establish the thermodynamic characteristics of melting and the equations of observed liquidi. To take into account the impact of pressure on the thermodynamics, the p-V-T equations of state of diamond Si, structure I and high-pressure form of structure II have been used.