Les travaux présents ici portent sur l’étude et la prospection de matériaux ferroiques. Cette étude consiste en une approche revêtant plusieurs aspects que sont la chimie du solide, la physique du solide et la science des matériaux. Deux parties sont développées, avec deux approches différentes. La première se concentre sur les liens entre composition/structure/propriétés dans des matériaux de la famille des TTB dérives de Ba2NdFeNb4O15 à travers l’étude de solutions solides à base de Li et l’étude de l’impact des différents paramètres de synthèse sur la nature de l’anomalie diélectrique mesurées sur pastilles densifiées. La mise en évidence de modulation structurale dans cette famille de matériaux semble être en lien direct avec l’observation des variations de propriétés diélectriques. L’utilisation de diffraction électronique notamment permet la mise en évidence de ces modulations structurales et leur évolution en température. Dans une seconde partie, l’approche consiste à utiliser le Spark Plasma Sintering (SPS) comme technique de densification pour des matériaux dits “fragiles” mais aussi d’explorer des propriétés diélectriques jusqu’alors inaccessibles, sur matériaux massifs. Le développement de la technique SPS à basse température permet ainsi non seulement de densifier à basse température des matériaux fragiles, mais aussi d’obtenir des phases inaccessibles dans des conditions de températures similaires par traitement thermique conventionnel. De même, l’obtention de céramique moléculaire de très haute densité a pu être réalisée, malgré des températures de décomposition extrêmement faible (100 ˚C). / The present work focuses on the prospection and understanding study of ferroic materials. It consists in a multiple aspect approach, including materials chemistry, materials physics and materials processing. Two parts compose this work, with two different approaches. The first one focuses on the links between composition, structure and properties in materials belonging to the TTB family, more specifically derived from Ba2NdFeNb4O15, through the exploration of Li containing solid solutions, and the impact of synthesis parameters on measured dielectric anomalies on dense samples. The observation of structural modulation in these materials seems to be closely related to the observation of dielectric anomalies variations. Using electron diffraction techniques allowed the evidence of such anomalies and the following of their thermal evolution. In a second part, the approach consists in using Spark Plasma Sintering (SPS) as a densification technique for so called “fragile” materials but also explore dielectric properties impossible to experimentally measure thus far. Developing low temperature SPS technique not only allows to densify ceramics at low temperatures fragile materials, but also to obtain inaccessible phases in similar temperature conditions using conventional thermal treatments. Moreover, sintering of molecular ceramic at very high density was possible, even if its decomposition temperature is extremely low (100 ˚C).

Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent des niobates de formulation Ba2LnNb4O15 (Ln = La ou Nd) et de structure "Tetragonal Tungsten Bronze" (TTB). Ces travaux se situent à la charnière de la chimie et de la physique des matériaux diélectriques et visent à mettre en relation structure cristalline et propriétés diélectriques. L'étude a été menée sur des TTB élaborés sous forme céramique et monocristalline. Après détermination de conditions optimales de croissance, par fusion de zone en four à image, des sections monocristallines ont été obtenues et caractérisées. Les résultats obtenus suggèrent des liens étroits entre composition, modulations structurales apériodiques et comportement diélectrique. Dans le même temps, deux nouvelles solutions solides céramiques ont été explorées, avec des schémas de substitution différents menant notamment à une réflexion très large sur les liens cristallochimie-ferroélectricité dans cette famille de TTB. Ces solutions solides présentent un crossover relaxeur-ferroélectrique, un comportement original et déjà observé dans d'autres solutions solides issues de cette famille de TTB. Des caractérisations avancées (mesures pyro- et piézoélectriques, cycles de polarisation) et des études structurales résolues en composition et en température ont permis d'établir des diagrammes de phases diélectriques montrant l'existence d'un état ferroélectrique métastable. Finalement, la présence d’une modulation structurale bidimensionnelle a pu être confirmée, dans les monocristaux et dans les céramiques, et l'ensemble des résultats obtenus pointent son implication dans les comportements cristallochimiques originaux rencontrés dans ces TTB. / The present work deals with Ba2LnNb4O15 (Ln = La ou Nd) niobates crystallizing with the "Tetragonal Tungsten Bronze" (TTB) structure. These researches, at the interface of chemistry and physics of dieletrics, aim at establishing structure / dielectric properties relationships. They were performed on TTB materials elaborated in ceramic and single crystal forms. Following optimization of growth parameters with an image furnace, single crystals were obtained and characterized. The results obtained suggest that composition, aperiodically modulated structure and dielectric behavior are closely tied in TTBs. Meanwhile, two new ceramic solid solutions with different substitutions schemes were investigated, deepening the insight on crystal-chemistry and ferroelectricity of TTBs. These solid solutions exhibit a relaxor-ferroelectric crossover, an original behaviour previously observed in solid solutions derived from the same family of TTB niobates. Advanced physical characterization (ferro-, pyro- and piezoelectric measurements, polarization loops), and composition/temperature resolved structural studies, allowed for the determination of a dielectric phase diagrams showing the presence of a metastable ferroelectric state. Finally, the existence of a two-dimensional structural modulation in single crystals and ceramics has been confirmed, and the whole set of experimental results points towards its implication in the original dielectric behavior observed in these TTBs.

Les oxydes non-stoechiométriques de type Ruddlesden-Popper, tel que Pr2NiO4+δ, peuvent être dopés en trous par substitution du strontium au praséodyme ou par insertion d’oxygène. Ces modes de dopage s’accompagnent de mises en ordre complexes impliquant la distribution des ions oxygène excédentaires, des ordres de charge et/ou de spin. Le diagramme de phase de Pr2-xSrxNiO4+δ a été exploré par diffraction des rayons X (en laboratoire et par rayonnement synchrotron) ainsi que neutronique. Pour la phase Pr2NiO4.25, nous avons mis en évidence une sur-structure incommensurable avec des réflexions satellites au 6ème ordre, produisant un spectre de diffraction très complexe avec 4 individus et 8 domaines incommensurables. Par diffractions synchrotron et neutronique, un ordre de charge de type échiquier a été identifié dès la température ambiante, suivi en dessous de 170 K par un ordre de type rubans ; un ordre de spin incommensurable s’établit au-dessous de 99 K. Ce travail a permis de révéler un ensemble complexe de phases ordonnées structuralement et électroniquement, gouvernées par des variations subtiles de stoechiométrie en strontium et oxygène. / Non-stoichiometric oxides from the Ruddlesden-Popper series, such as Pr2NiO4+δ, can be hole-doped by substituting strontium to praseodymium or by oxygen insertion. This leads to complex structural ordering involving oxygen-, charge- and spin ordering. The complex phase diagram of Pr2-xSrxNiO4+δ was explored using X-ray (laboratory and synchrotron) as well as neutron diffractions. For the doped phase of highest oxygen content (Pr2NiO4.25), we could evidence an incommensurate structure with satellite reflections of 6th order, yielding a very complex diffraction pattern of up to four twin-individuals and eight incommensurate domains. Checkerboard-type charge ordering was identified already at ambient temperature, while stripe charge ordering was observed below 170 K by synchrotron and neutron diffraction; incommensurate spin ordering appears below 99 K. This thesis reveals the existence of many complex oxygen and electronically ordered phases going along with small variations of the oxygen/strontium stoichiometry.