Les phonons mous et le couplage électron-phonon sont considérés comme responsables d’un grand nombre de transition de phase. Pour en comprendre complétement les mécanismes, il est nécessaire d’étudier à la fois les modifications structurales, les changements de configuration électronique et les dynamiques de réseau cristallin. De toute évidence, cela représente une charge de travail expérimental et théorique considérable, voire même hors d’atteinte.Néanmoins, il est parfois possible d’introduire certaines simplifications et d’ainsi rendre une telle étude réalisable. C’est le cas pour les deux systèmes au cœur de ce travail de thèse, pour lesquels la transition de phase peut être diviser en deux instabilités : l’une est structurale, intrinsèque aux éléments constitutifs du système et l’autre, superposée, provient de la configuration électronique. L’interaction entre ces instabilités est illustrée à travers l’exemple de deux systèmes à priori hétérogènes, la famille des bronzes monophosphate de tungstène d’une part et l’antimoine d’autre part, qui révèleront finalement posséder des similarités inattendues. La combinaison des techniques de diffusion diffuse et de diffusion inélastique de rayons X permet des observations qualitatives et une meilleure compréhension de la situation pour les deux systèmes.Les bronzes monophosphate de tungstène font partie de la famille des oxydes quasi-2D, (PO2)4(WO3)2m, qui ont la particularité d’être sujet à des instabilités de type onde de densité de charges (ODC). Ces bronzes sont constitués d’une structure de perovskite vide composée par des couches octaédriques (WO3)2m. L’épaisseur de chacune de ces couches est définie par la valeur de m, qui mène ainsi à différents types de phase d’ODC. Le cas du terme m=2 a aussi été étudié car le fait que les chaînes zig-zag y soient isolées conduit à une instabilité quasi-1D. La présence d’une phase d’ODC a été découverte à TC=270K avec q=0.25b*. Cette phase est engendrée par le mouvement à corps rigide, plus exactement, par les basculements corrélés des octaèdres. Pour les autres termes (m=6,7 et 8), l’instabilité structurale a une origine différente et est liée à l’agencement en couches de WO3, plus particulièrement aux déplacements corrélés des chaînes W-O-W-O. Ces derniers sont la cause d’une forte diffusion diffuse sur des plans spécifiques, résultant de la présence de phonons ’relativement’ mous localisés dans la même région. Ensuite, l’emboitement de la surface de Fermi quasi-2D est à l’origine de l’ancrage du vecteur de modulation sur une valeur spécifique de transfert de moment, définit par l’interaction de deux instabilités, structurale et électronique. De façon remarquable, l’amplitude des déplacements des atomes de tungstène dans le terme m=8 est beaucoup plus élevée que dans le m=6.L’antimoine à température ambiante possède une structure rhomboédrique, dérivant d’une légère distorsion de la structure cubique primitive (CP) par transition de Peierls. Sous pression, la distorsion se réduit sans toutefois disparaître complétement, puisque l’antimoine se transforme dans un premier temps en une série de structures complexes, pour finalement adopter celle possédant la plus grande symétrie, la structure cubique centrée (CC). De la même façon que pour les bronzes, les caractéristiques de la diffusion diffuse ainsi que, dans une certaine mesure, les particularités de la dynamique du réseau rhomboédrique, s’expliquent à travers de l’instabilité du réseau cubique primitif. Cette dernière est liée aux déplacements corrélés dans les chaînes avec direction pseudo-cubique <100>. En outre, les détails de la transition de phase peuvent être explicités par l’association de l’analyse des vecteurs critiques de la transformation CC-CP avec les résultats expérimentaux obtenus sur la dépendance en pression de l’énergie des phonons. / A large number of phase transitions can be interpreted as being driven by phonon softening and/or electron-phonon coupling. Thus, a full mechanistic description requires the understanding of structural transformation, changes in electronic structure and lattice dynamics. All together this represents an enormous, for many cases unrealisable, experimental and theoretical effort.However, with the introduction of appropriate assumptions the problem may be simplified. Here we concentrate on two systems, where the interpretation of the phase transition may be split into an intrinsic instability of the building blocks combined with a superimposed electronic instability. We illustrate the interplay between the framework and electron-phonon-related instabilities using the seemingly heterogeneous examples of phosphate tungsten bronzes and elementary antimony. Based on the combined results from diffuse and inelastic X-ray scattering, we propose for the two systems a picture that explains the experimental observations. The similarities found between these two systems are deemed to be rather surprising.Monophosphate tungsten bronzes are a family of quasi-2D-oxides, (PO2)4(WO3)2m, that exhibits charge density wave (CDW) instability. They contain empty perovskite WO3 slabs with varying thickness between different members, characterised by the $m$ value. This thickness defines the sequence of charge density wave phases that appear on cooling. The degenerate case of $m$=2, presenting a quasi-1D instability, was explored since the WO3-octahedra zig-zag chain is isolated. A CDW phase (TC=270K and q=0.25b*) is found to be linked to a rigid-body motion, precisely, to a correlation in the tilting of the octahedra. For the others studied members, as m=6,7 and 8, we found another kind of structural instability. In this case the origin comes from the WO$_3$ slabs framework, realised as correlated displacements of tungsten atoms along the octahedral 4-fold axis direction (W-O-W-O direction). This leads to a strong x-ray diffuse scattering localised in specific planes, linked to relatively soft phonons modes. Specific Fermi surface nesting, close to the 2D case, gives rise to a freezing of the modulations at the specific momentum transfer, defined by the interplay of two instabilities, the structural and electronic one. Remarkably, the displacements of W for m=8 are much superior than in m=6.Elemental antimony at ambient condition has an A7 rhombohedral structure, obtained by small distortion from primitive cubic (PC) lattice through a Peierls transition. Under pressure, the distortion is reduced, but remains finite, as antimony transforms through a series of highly complex structures, before adopting as last the highest-symmetry body-centred cubic (BCC) phase. The main diffuse scattering features and to some extent the peculiarities in the lattice dynamics of the A7 phase – as above - can be explained by the instability of the primitive cubic network with respect to correlated displacements along the chains with <100> pseudo-cubic directions. Analysis of critical vectors for the BCC-PC transformation together with experimentally obtained phonon-energies pressure dependence provides further insights into the details of the phase transformation.

Les multiferroïques sont des matériaux dans lesquels plusieurs propriétés ferroïques peuvent coexister, e. g. ferromagnétisme et ferroélectricité. La recherche de tels matériaux fait l'objet d'une activité croissante en raison de l’enjeu majeur qu’ils représentent dans de nombreux domaines (mémoires, spintronique…). Les matériaux qui possèdent les propriétés nécessaires pour des applications futures sont cependant peu nombreux. Des niobates de formule Ba2LnFeNb4O15 (Ln = lanthanide), de structure bronze quadratique (TTB) susceptibles de présenter un ordre ferroélectrique et un ordre magnétique ont été synthétisés. Les propriétés magnétiques des céramiques proviennent d'une phase secondaire, faisant d’eux des composites multiferroïques. Leur souplesse cristallochimique permet de contrôler les propriétés composites par substitutions cationiques dans la matrice TTB. Afin de compléter l'étude cristallochimique, la croissance de monocristaux de TTB a été entreprise avec succès. / Multiferroics are materials which possess several ferroic properties, e.g. ferroelectricity, ferromagnetism. The search for multiferroics arises a growing activity, due to their potential applications in memories, spintronic… Yet the materials displaying the adequate properties for future application are very few. Niobates with the formula Ba2LnFeNb4O15, potentially ferroelectric and ferromagnetic, have been synthesized. The magnetic properties of the ceramics are related to a secondary phase, thus making them composite multiferroics. Their crystal-chemical flexibility allows for the composites properties tuning by cationic substitutions into the TTB framework. To complete the crystal-chemical study, the growth of TTB single-crystals was successfully engaged.

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.