京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18780号 / 理博第4038号 / 新制||理||1581(附属図書館) / 31731 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 戸塚 圭介, 教授 川上 則雄, 教授 佐々 真一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Recent resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) experiments have detected a significant high-energy spin-excitation anisotropy in the nematic phase of the enigmatic iron-based superconductor FeSe, whose origin remains controversial. We apply an itinerant model previously used to describe the spin-excitation anisotropy as measured by neutron scattering measurements, with magnetic fluctuations included within the RPA approximation. The calculated RIXS cross section exhibits overall agreement with the RIXS data, including the high energy spin-excitation anisotropy

<p>This thesis addresses the electronic structure of vanadium and copper oxides using soft X-ray absorption (SXA) spectroscopy and resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) at high brightness synchrotron radiation sources. In RIXS incident photons, tuned to the energy of specific absorption resonances, are inelastically scattered leaving behind a low energy valence excitation in the system studied. Effects of electron localization are reflected by the occurrence of low-energy excitations in form of dd- and charge-transfer excitations that are modelled by cluster calculations. Band-like states are dominating when the intermediate core excited state is delocalized.</p><p>RIXS at V 2p and O 1s resonances has been used to study the electronic structure of the monovalent vanadium oxides VO₂ and V₂O₃, and of the mixed valence compounds, NaV₂O₅ and V₆O₁₃. For NaV₂O₅ and V₆O₁₃ significant contributions from localized low-energy excitations reflect the partly localized character of their valence band electronic structure, whereas VO₂ and V₂O₃ appear mostly as band-like. Effects of carrier doping are addressed for the case of Mo doping into VO₂ and reveal a quasi-rigid band behavior. In the cases of VO₂ and V₆O₁₃ the temperature dependent metal-insulator transition could be monitored by following the spectral evolution of bands originating from V 3d and V 3d - O2p hybridized states. For Na₂V₃O₇ nanotubes it was possible to selectively probe states from the apical and the basal oxygen sites of VO₅ pyramids that constitute these nanotubes. Furthermore, the RIXS technique has been demonstrated to be highly valuable in characterizing the charge transfer processes that accompany lithium insertion into vanadium oxide battery cathodes. Finally, for insulating cuprates RIXS at O 1s, Cu 3p and Cu 3s resonances has been recorded at high-resolution for the detailed investigation of crystal field excitations.</p>

<p>Lithium ion insertion into electrode materials is commonly used in rechargeable battery technology. The insertion implies changes in both the crystal structure and the electronic structure of the electrode material. Side-reactions may occur on the surface of the electrode, which is exposed to the electrolyte and form a solid electrolyte interface (SEI). The understanding of these processes is of great importance for improving battery performance. The chemical and physical properties of water and alcohols are complicated by the presence of strong hydrogen bonding. Various experimental techniques have been used to study geometrical structures and different models have been proposed to view the details of how these liquids are geometrically organized by hydrogen bonding. However, very little is known about the electronic structure of these liquids, mainly due to the lack of suitable experimental tools.</p><p>This thesis addresses the electronic structure of liquids and lithium battery materials using resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) at high brightness synchrotron radiation sources. The electronic structure of battery electrodes has been probed, before and after lithiation, studying the doping of electrons into the host material. The chemical composition of the SEI on cycled graphite electrodes was determined. The local electronic structure of water, methanol and mixtures of the two have been examined using a special liquid cell. Results from the study of liquid water showed a strong influence on the 3a₁ molecular orbital and orbital mixing between molecules upon hydrogen bonding. The study of methanol showed the existence of ring and chain formations in the liquid phase and the dominating structures are formed of 6 and 8 molecules. Upon mixing of the two liquids, a segregation at the molecular level was found and the formation of new structures, which could explain the unexpected low increase of the entropy.</p>

This thesis addresses the electronic structure of vanadium and copper oxides using soft X-ray absorption (SXA) spectroscopy and resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) at high brightness synchrotron radiation sources. In RIXS incident photons, tuned to the energy of specific absorption resonances, are inelastically scattered leaving behind a low energy valence excitation in the system studied. Effects of electron localization are reflected by the occurrence of low-energy excitations in form of dd- and charge-transfer excitations that are modelled by cluster calculations. Band-like states are dominating when the intermediate core excited state is delocalized. RIXS at V 2p and O 1s resonances has been used to study the electronic structure of the monovalent vanadium oxides VO2 and V2O3, and of the mixed valence compounds, NaV2O5 and V6O13. For NaV2O5 and V6O13 significant contributions from localized low-energy excitations reflect the partly localized character of their valence band electronic structure, whereas VO2 and V2O3 appear mostly as band-like. Effects of carrier doping are addressed for the case of Mo doping into VO2 and reveal a quasi-rigid band behavior. In the cases of VO2 and V6O13 the temperature dependent metal-insulator transition could be monitored by following the spectral evolution of bands originating from V 3d and V 3d - O2p hybridized states. For Na2V3O7 nanotubes it was possible to selectively probe states from the apical and the basal oxygen sites of VO5 pyramids that constitute these nanotubes. Furthermore, the RIXS technique has been demonstrated to be highly valuable in characterizing the charge transfer processes that accompany lithium insertion into vanadium oxide battery cathodes. Finally, for insulating cuprates RIXS at O 1s, Cu 3p and Cu 3s resonances has been recorded at high-resolution for the detailed investigation of crystal field excitations.

Lithium ion insertion into electrode materials is commonly used in rechargeable battery technology. The insertion implies changes in both the crystal structure and the electronic structure of the electrode material. Side-reactions may occur on the surface of the electrode, which is exposed to the electrolyte and form a solid electrolyte interface (SEI). The understanding of these processes is of great importance for improving battery performance. The chemical and physical properties of water and alcohols are complicated by the presence of strong hydrogen bonding. Various experimental techniques have been used to study geometrical structures and different models have been proposed to view the details of how these liquids are geometrically organized by hydrogen bonding. However, very little is known about the electronic structure of these liquids, mainly due to the lack of suitable experimental tools. This thesis addresses the electronic structure of liquids and lithium battery materials using resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) at high brightness synchrotron radiation sources. The electronic structure of battery electrodes has been probed, before and after lithiation, studying the doping of electrons into the host material. The chemical composition of the SEI on cycled graphite electrodes was determined. The local electronic structure of water, methanol and mixtures of the two have been examined using a special liquid cell. Results from the study of liquid water showed a strong influence on the 3a1 molecular orbital and orbital mixing between molecules upon hydrogen bonding. The study of methanol showed the existence of ring and chain formations in the liquid phase and the dominating structures are formed of 6 and 8 molecules. Upon mixing of the two liquids, a segregation at the molecular level was found and the formation of new structures, which could explain the unexpected low increase of the entropy.

Les oxydes d’iridium (iridates) ont attiré particulière attention au cours de la dernière décennie grâce à l’identification d’un état isolant de Mott induit par l’action conjointe du champ cristallin, de la corrélation électronique et du couplage spin-orbite. Cet état a été intensément investigué et des phases et excitations nouvelles ont été prédites théoriquement et aussi individuées expérimentalement. Sans doute, la diffusion inélastique résonante de rayons X (RIXS) est l’une des techniques les plus adoptée pour mesurer les excitations à basse énergie des iridates. En effet, la section efficace relativement large de la spectroscopie RIXS au seuil L3 de l’iridium et la bonne résolution en énergie ont encouragé l’emploi de cette technique. Cette thèse se pose un double objectif : concevoir des développements instrumentaux ayant pour but d’améliorer les possibilités offertes par la spectroscopie RIXS, et appliquer le RIXS afin d’étudier la physique à basse énergie de certains iridates.Le principal projet de développement instrumental est un nouveau spectromètre RIXS avec résolution en polarisation. L’analyse de la polarisation des rayons X diffusés permet d’obtenir des informations sur la symétrie et donc la nature des excitations. Cependant, elle est peu employée à cause de problèmes techniques qui naissent quand l’on veut préserver aussi la résolution en énergie et l’efficience du spectromètre. Même si le polarimètre RIXS projeté n’est pas encore disponible, le schéma optique a été vérifié et validé. Le polarimètre aura une résolution en énergie et une efficience équivalentes à celles des spectromètres RIXS courants. Le second développement technique comprend l’équipement permettant de réaliser des mesures RIXS à basse température et haute pression. Ces équipements ont permis d’investiguer l’évolution en pression des excitations magnétique du composé Sr3Ir2O7 en dessous de la température de Néel et jusqu’au 12 GPa. Les mesures peuvent aider l’affinage des modèles magnétiques courants pour ce système. Ces mesures démontrent que les excitations magnétiques peuvent être acquises en haute pression par la spectroscopie RIXS, démontrant ainsi la possible utilisation de cette technique dans ce nouveau domaine.Cette thèse comprend aussi des ultérieurs travails expérimentaux. Le premier considère le composé CaIrO3, dont la structure cristalline est constituée par des octaèdres partageant un sommet et une arête dans deux directions orthogonales. Du coup, les interactions magnétiques sont très différentes selon la direction cristallographique. Spécifiquement, la suppression du couplage de type Heisenberg dans la direction où les octaèdres partagent une arête produit des interactions magnétiques principalement unidimensionnelles. La caractéristique de ceux-ci est la présence d’un continuum d’excitations avec une dépendance en énergie et quantité de mouvement typique, qui a été révélé par la spectroscopie RIXS. Les excitations électroniques de CaIrO3 ont aussi des caractéristiques propres. Enfin, j’ai étudié les propriétés électroniques du composé Rb2[IrF6]. Des calculs récents proposaient que ce système possède un état d’isolant de Mott similairement aux oxydes d’iridium. Les mesures RIXS ont aidé à éclairer les propriétés électroniques de ce composé. La solidité des propriétés électroniques a été vérifiée par rapport à la substitution du métal alcalin ou de l’halogène, et à l’application de pression.Cette thèse accroit l’importance de l’utilisation de la spectroscopie RIXS dans des domaines qui étaient précédemment inexplorés. L’analyse de la polarisation des rayons X diffusés sera avantageuse dans les cas où la nature des excitations ne peut être établie sans ambiguïté. L’équipement développé pour réaliser les mesures RIXS en conditions extrêmes permet d’étudier la dynamique électronique et magnétique dans des phases de la matière inaccessibles jusqu’à aujourd’hui. / Iridium oxides (iridates) have raised notable attention in the last decade due to the identification of a Mott insulating state realized by the joint action of crystal field, electron correlation, and spin-orbit coupling. Such state has been intensively investigated and novel quantum phases and excitations have been theoretically predicted and experimentally found. Undoubtedly, one of the most employed techniques to elucidate the low-energy physics of iridates is resonant inelastic X-ray scattering (RIXS). At the iridium L3 edge, it benefits from a particularly good energy resolution, which matches the energy scales of the relevant excitations, and from a favorable inelastic cross-section. The aim of the present thesis is twofold: conceive challenging instrumental upgrades that contribute to the advancement of the technique itself, and apply RIXS to inspect the magnetic and electronic properties of selected iridates.The main instrumental development concerns the design of a new RIXS spectrometer with polarization resolution. Polarization analysis of the scattered X-rays provides useful information about the symmetry and thus the nature of an excitation. However, it is rather unexploited because of severe technical challenges when energy resolution and efficiency must be preserved. The designed RIXS spectrometer with polarization analysis capabilities is still under construction, however the optical scheme has been validated by preliminary tests. Full polarization analysis is expected without degradation of energy resolution or efficiency with respect to current state-of-the-art RIXS spectrometers. Additional technical developments include sample-environment equipment to perform RIXS experiments in low-temperature and high-pressure conditions. The equipment has been successfully utilized to investigate the magnetic dynamics of the bilayer-perovskite Sr3Ir2O7 below its Néel temperature and up to 12 GPa. Our measurements provide additional observations that may sharpen the challenge to theoretical understanding of the magnetic dynamics of this material. Moreover, we demonstrate for the first time that RIXS experiments of the magnetic dynamics can be extended to unexplored thermodynamic conditions.Besides instrumental advances, additional experimental work has been carried out in order to study the magnetic and electronic excitations of the post-perovskite CaIrO3. Owing to its peculiar crystal structure, featuring both edge- and corner-sharing octahedra, the magnetic interactions of CaIrO3 are very different along orthogonal directions. In particular, the inhibition of the Heisenberg coupling along the edge-sharing direction induces one-dimensional magnetic behavior with characteristic fractional spinon-like excitations, which have been detected by RIXS. Electronic excitations are also found to have particular properties. Finally, I have focused on the electronic structure of Rb2[IrF6], which was theoretically predicted to realize a Mott insulating state similar to the one of iridium oxides. RIXS measurements helped to elucidate the electronic properties of this compound. The robustness of the electronic state has been tested against substitutions of the alkali metal and halogen, and application of physical pressure.The present work extends the potential of the RIXS technique to domains previously unexplored, i.e. polarization analysis of the scattered X-rays and high-pressure low-temperature experiments. I hope that the instrumental upgrades and applications of RIXS discussed in this thesis will further promote the technique as a powerful and reliable tool to characterize elementary excitations in correlated-electron systems.

Cette thèse présente une étude expérimentale de l'interaction entre la supraconductivité et une onde de densité de charge (ODC). Dans la théorie standard, la température critique d’un matériau supraconducteur est favorisée principalement par deux paramètres : une grande densité d’états au niveau de Fermi (nF), et un fort couplage électron-phonon. Cependant, un fort couplage électron-phonon favorise aussi l’apparition d’une ODC, ce qui réduit nF et rivalise ainsi avec la supraconductivité.Notre démarche a consisté à étudier deux composés où supraconductivité et ODC coexistent, et dans lesquels on peut faire disparaître l’ODC grâce à un paramètre externe : pression ou substitution. Le premier composé, 2H-NbSe2, présente une ODC en dessous de 33 K à pression ambiante. Celle-ci coexiste avec la supraconductivité en dessous de 7 K. Sous pression, l’ODC disparaît au-dessus de 4.6 GPa, sans que la température critique varie notablement. L’ODC disparaît aussi en remplaçant le sélénium par du soufre : 2H-NbS2 est ainsi un supraconducteur sans ODC (Tc = 6 K), et peut donc servir de composé témoin pour une étude comparative. Dans le second composé, Lu5Ir4Si10, une ODC est présente en dessous de 77 K à pression ambiante. Celle-ci disparaît sous pression au-dessus de 2 GPa, tandis que la température critique saute simultanément de 4 à 9 K. Pour étudier ces composés, j’ai utilisé trois techniques expérimentales : la mesure de la dispersion des phonons à basse température (300-2 K) et sous pression (0-16 GPa) par diffusion inélastique des rayons X, la mesure de la dépendance en température de la longueur de pénétration magnétique grâce à un oscillateur à diode tunnel et la mesure des champs critiques via des microsondes Hall.Dans la première partie, je présente la dépendance en température de la dispersion des phonons dans 2H-NbS2. Nous observons la présence d’un phonon mou dont l’énergie reste toujours positive, même extrapolée à température nulle. Ce composé est ainsi à la limite d'une instabilité ODC. De plus, nous montrons qu’il est relativement unique, car seuls les effets anharmoniques empêchent l’amollissement complet des phonons. Je présente ensuite la dépendance en température et en pression de la dispersion des phonons dans 2H-NbSe2. Ces expériences montrent qu’un mode de phonon mou persiste jusqu’à 16 GPa, même quand l'état à température nulle n'est pas l’ODC. La dépendance en température de ce phonon mou est alors similaire à celle de 2H-NbS2. Dans les deux composés, ces phonons mous semblent liés à la présence d'un couplage électron-phonon à la fois fort et anisotrope. Nous suggérons qu’il s’agit d’un élément essentiel pour expliquer leurs propriétés supraconductrices.Dans la seconde partie, je mesure l'anisotropie et la dépendance en température de la longueur de pénétration magnétique dans l’état supraconducteur de 2H-NbS2 et Lu5Ir4Si10. La dépendance en température de la densité superfluide dans 2H-NbS2 confirme la présence d'un gap supraconducteur réduit dont l'amplitude est très proche de celle mesurée dans 2H-NbSe2. Les phonons mous et le gap réduit étant présents dans 2H-NbS2 et 2H-NbSe2, nous prouvons expérimentalement qu'il faut raisonner en termes de renforcement de la supraconductivité par les phonons mous plutôt qu'en termes d’interaction avec l'état fondamental (ODC ou métal). Nous proposons que ce renforcement soit lié à l'anisotropie du couplage électron-phonon.En revanche, cet effet n’est pas général aux composés où supraconductivité et ODC coexistent. Les propriétés supraconductrices de Lu5Ir4Si10 sont en effet bien décrites par le modèle BCS couplage faible. Ceci est peut être lié aux caractéristiques de l’ODC : la présence d’une hystérésis montre que la transition ODC est du premier ordre. D’autre part, les mesures de diffraction X sous pression et à basse température révèlent que cette ODC est multiple : en plus de la périodicité 1/7, nous observons une seconde périodicité de 1/20. / This thesis presents an experimental study of the interaction between superconductivity and a charge density wave (CDW). In the standard theory, the critical temperature of a superconductor is principally enhanced by two parameters: a large density of states at the Fermi level (nF) and a strong electron-phonon coupling. However, a strong electron-phonon coupling also favors the appearance of a CDW, which reduces nF and therefore competes with superconductivity.Our strategy was to study two compounds in which superconductivity and CDW coexist, and in which the CDW can be suppressed through an external parameter: pressure or substitution. The first compound is 2H-NbSe2, it presents a CDW below 33 K at ambient pressure. This CDW coexists with superconductivity below 7 K. Under pressure, the CDW disappears above 4.6 GPa, meanwhile the critical temperature slowly changes. The CDW also disappears when replacing selenium by sulfur: 2H-NbS2 is a superconductor without CDW (Tc=6 K), it can therefore serve as a “test compound” for a comparative study. The second compound is Lu5Ir4Si10, it presents a CDW below 77 K at ambient pressure. Under pressure, this CDW disappears above 2 GPa, meanwhile the critical temperature abruptly jumps from 4 to 9 K.For this study, I used three experimental techniques: inelastic x-ray scattering at low temperature (300-2 K) and under pressure (0-16 GPa) to measure the dispersion of phonons, a tunnel diode oscillator to measure the temperature dependence of the magnetic penetration depth, and Hall microprobes to measure the first and second critical fields. In the first part, I present the temperature dependence of the phonon dispersion in 2H-NbS2. We observe a soft phonon that always remains at positive energies, even extrapolated to zero temperature. Thus, this compound is on the verge of CDW instability. It is also relatively unique, since we show anharmonicity is the only effect that prevents the complete softening of the phonons.Then I present the temperature and pressure dependence of the phonon dispersion in 2H-NbSe2. These experiments show that a soft phonon persists up to 16 GPa, even if the ground state is not a CDW. The temperature dependence of this soft phonon is then similar to that of 2H-NbS2. In both compounds, these soft modes seem to be related to the strength and anisotropy of the electron-phonon coupling. We suggest this is a fundamental element to explain their superconducting properties.In the second part, I measure the anisotropy and temperature dependence of the magnetic penetration depth in the superconducting state of 2H-NbS2 and Lu5Ir4Si10. The temperature dependence of the superfluid density in 2H-NbS2 confirms the presence of a reduced superconducting gap. Its amplitude is very similar to the one measured in 2H-NbSe2. The soft modes and the reduced gap being present in both 2H-NbSe2 and 2H-NbS2, we prove experimentally that the enhancement of superconductivity is related to the soft modes rather than to the nature of the ground state (CDW or metal). We suggest this enhancement is due the anisotropy of the electron-phonon coupling.However, this effect is not general to all compounds where superconductivity and CDW coexist. The superconducting properties of Lu5Ir4Si10 are indeed well fitted by the BCS model in the weak coupling limit. This may be related to the characteristics of the CDW: the presence of hysteresis shows that the CDW transition is first order. In addition, under pressure and at low temperature, x-ray diffraction measurements indicate that the CDW is multiple: aside from the periodicity of 1/7, we observe a second periodicity of 1/20.

Les propriétés physiques intriguantes présentées dans certains oxydes complexes de métaux de transition sont attractives non seulement pour la recherche fondamentale, mais pour les applications, par exemple, la supraconductivité, la magnétorésistance colossale, la multiferroïcité. La forte corrélation électronique est à l'origine de ces comportements.La thèse contribue à la fois à l'effort expérimental de détermination de la structure électronique des systèmes fortement corrélés et à l'analyse critique des modèles théoriques les décrivant. Expérimentalement, le travail a porté sur la diffusion inélastique résonante des rayons X pour déterminer les excitations électroniques de basse énergie de l'état fondamental (excitations d-d, transfert de charge, etc.). Les expériences ont été effectuées sur la ligne de lumière SEXTANTS du synchrotron SOLEIL (France), en utilisant le spectromètre AERHA avec un haut pouvoir résolvant. L'analyse des résulats a été focalisée sur la détermination du champ cristallin des métaux de transition en jeu en utilisant la théorie des multiplets avec champ cristallin.Deux systèmes ont été étudiés: les composés multiferroïques RMnO3 (R = Tb, Dy) et un isolant de Mott ferromagnétique Lu2V2O7. / The intriguing physical properties presented in some complex oxides of transition metals draw attention not only in fundamental research but also in applications, for instance, superconductivity, colossal magnetoresistance, multiferroicity. The strong electronic correlation is at the origin of these behaviours. The thesis is a contribution to both the experimental effort to determine the electronic structure of strongly correlated systems and the critical assesment of the theoretical models describing them. Experimentally, the work of is devoted to the investigations of the low-energy excitations (d-d excitations, charge transfer, …) of the ground state by resonant inelastic x-ray scattering. The experiments have been performed on the SEXTANTS beamline of SOLEIL synchrotron (France) using the high resolving power AERHA spectrometer. The analysis of the data has been focused on the determination of the the crystal field of the transition metal involved using the crystal field multiplets theory.Two systems have been investigated: the multiferroics RMnO3 (R = Tb, Dy) and the ferromagnetic Mott insulator Lu2V2O7.

Les méthodes classiques dans l'étude de la dynamique de réseau, comme la diffusion inélastique des neutrons et des rayons X, sont et vont rester limitées en flux. En conséquence les mesures sont coûteuse en temps. Pour optimiser le rendement de ces techniques, la stratégie de mesure doit être préparée avant l'expérience. Cette stratégie peut être élaborée et optimisé par des calculs de la dynamique de réseau et de la diffusion diffuse. La mesure de la diffusion diffuse thermique est une expérience simple où les régions étendues dans l'espace réciproque peuvent être explorées rapidement et en détails, ce qui permet d'identifier les caractéristiques dans la dynamique de réseau. Une méthode spectroscopique peut être appliquée ensuite sur les régions d'intérêt donnant accès à l'énergie et à l'intensité des vibrations individuelles. Dans certains cas, la diffusion diffuse thermique devient tellement contraignante pour les calculs de la dynamique de réseau (quasi)harmonique, que l'expérience de diffusion inélastique n'est plus un ingrédient nécessaire dans la reconstruction d'une image cohérente de la dynamique. Dans le cadre de ce travail la combinaison des techniques utilisant la diffusion thermique, la diffusion inélastique des rayons X et les calculs réalisés à partir des premiers principes ab initio est proposée pour l'étude de la dynamique de réseau de monocristaux. Les intensités de diffusion diffuse ainsi que les spectres inélastiques observés sont comparés à ceux calculés ab initio. Ces techniques combinées donnent accès à la description complète de la dynamique de réseau en approximation harmonique, et fournissent des informations supplémentaires précieuses. Le lecteur sera initié au formalisme de la dynamique de réseau et à celui de la diffusion inélastique et thermique. Les méthodes de calculs des propriétés vibrationnelles issues des calculs ab initio vont être introduites suivant un ensemble d'étapes menant à la convergence et donc à la validation de l'ensemble des calculs. Les techniques expérimentales utilisées tout au long de cette étude ainsi que les nouvelles possibilités s'ouvrant désormais grâce aux études combinées, serons présentées. La méthodologie sera illustrée par plusieurs systèmes de référence. Dans le cadre des systèmes à liaisons covalentes, deux polymorphes de silice - coésite et cristobalite - sont à l'étude. Les calculs expérimentaux validés sont utilisés pour l'étude des vecteurs propres, des valeurs propres et de leur contributions a la densité d'états vibrationnels (partiel et total). La comparaison avec le polymorphe de silice le plus abondant - alpha-quartz - et l'oxide de germanium en structure de alpha-quartz - révèle des ressemblances et des différences distinctes dans les propriétés vibrationnelles à basse énergie. Les polymorphes d'étain ont été choisis pour étudier l'impact du sous-système électronique sur les interactions inter-ioniques et la dynamique de réseau de monocristaux. L'étain manifeste des propriétés structurelles intéressantes, et une surface de Fermi relativement complexe. On observe une asymétrie inhabituelle au niveau de la diffusion diffuse, propriété qui peut s'expliquer dans le cadre d'une approximation harmonique de la dynamique de réseau. Enfin, la méthode élaborée est appliquée à de la glace, ce qui démontre non seulement une diffusion thermique caractéristique mais également des contributions statiques provenant du désordre de l'hydrogène. La méthodologie proposée fournit un outil puissant pour l'étude de la dynamique de réseau et sera applicable à une large variété de systèmes. Les études peuvent être étendues à des conditions extrêmes impliquant de très hautes pressions et une large gamme de températures. Cette méthodologie peut également être utilisée pour étudier les propriétés localisées de vibrations atomiques dans les systèmes avec des symétries brisées, par exemple des systèmes avec du désordre ou des effets topologiques. / The classical methods in the study of lattice dynamics, such as inelastic neutron and x-ray scattering, are and will remain flux-limited, consequently the measurements are time consuming. To maximise the yield of these techniques, measurement strategies need to be established prior to the experiment. These strategies can be elaborated and optimised by lattice dynamics calculations and thermal diffuse scattering. Measuring thermal diffuse scattering is a simple experiment where extended regions of reciprocal space can be rapidly explored in detail and characteristic features of the lattice dynamics identified. Slower spectroscopy measurements can then be applied on the selected regions of interest to gain access to the energy and intensity of individual vibrations. Moreover, in some cases the input of thermal diffuse scattering may become so constraining for the (quasi)harmonic lattice dynamic calculation, that inelastic scattering experiment will not be a necessary ingredient for the recovery of a self-consistent picture of the dynamics. In the frame of this work, the combination of thermal diffuse scattering, inelastic x-ray scattering and lattice dynamics calculations from first principles ab initio is applied to study the lattice dynamics of single crystals. Both diffuse scattering intensities and inelastic spectra determined by experiment are compared to the ones calculated ab initio. The combination of these three techniques gives access to the full lattice dynamics in the harmonic description and permits valuable new insights into the vibrational properties. The reader will be introduced to the key formalism of lattice dynamics, inelastic and thermal diffuse scattering. Methods for the calculation of vibrational properties from first principles are discussed, followed by a guideline for well converged calculations. The experimental techniques used in this work are presented and new possibilities for combined studies examined. The methodology is illustrated for several benchmark systems. Two silica polymorphs - coesite and alpha-cristobalite – were chosen as examples for covalent systems and investigated in detail. The experimentally validated calculation was used for the analysis of eigenvectors and eigenvalues of different modes, and their contribution to the total and partial density of vibrational states. Comparison with the most abundant silica polymorph - alpha-quartz - and germanium oxide in alpha-quartz structure reveals distinct similarities and differences in the low-energy vibrational properties. Metallic tin polymorphs were chosen to study the influence of the electron subsystem on inter-ionic interactions and the lattice dynamics. Tin exhibits both interesting structural properties and a complex Fermi surface. An unusual asymmetry of thermal diffuse scattering is observed which can be explained within the frame of harmonic lattice dynamics. Finally, the established method is applied to ice which exhibits not only characteristic thermal diffuse scattering but also static contributions from the hydrogen disorder. The methodology proposed in the present work provides a powerful tool in the study of lattice dynamics and will be applicable to a large variety of systems. The studies can be extended to extreme conditions involving very high pressures and a large temperature range. It may be also used to study localised properties of atomic vibrations in systems with broken symmetries, e.g. disorder or surface effects.