Recently, the development of electronic technology towards higher frequencies and larger band widths has led to interest in finding new piezoelectric materials, which could be used to make filters with larger pass band widths and oscillators with better frequency stability. Langasite (La3Ga5SiO14, LGS) and its isomorphs have enticed considerable attention of researchers as a potential substrate material for piezoelectric device applications because of its high frequency stability and fairly good electromechanical coupling factors for acoustic wave devices. Nonlinear effect including drive level dependence, mode coupling, force-frequency effect and electroelasic effect are critical for the design of these devices. Third-order elastic constants (TOEC) play an important role in a quantitative analysis of these nonlinear effects. In particular these elastic constants are of great importance when the BAW (Bulk Acoustic Wave) and SAW (Surface Acoustic Wave) sensors of force, acceleration and so on are designed. Until now Langasite (LGS) and Langatate (LGT) crystal resonators have been qualified in terms of quality factor, temperature effect, isochronism defect and material quality. One of the most important advantages of those crystals is that they will not undergo phase transitions up to its melting temperature of 1450°. Presently there is no data on TOEC of LGT crystals. Our objective is to create an experimental procedure to measure and collect the complete set of third-order elastic constants of Langasite (La3Ga5SiO14) and Langatate (La3Ga5.5Ta0.5O14) crystals and compare the new values for langasite with values previously reported.

Nous avons caractérisé différents cristaux piézoélectriques de Langatate La3Ga5.5Ta0.5O14 (LGT), de différentes couleurs afin d’évaluer l’influence des défauts sur la qualité de dispositifs du domaine Temps-Fréquence (résonateurs acoustiques).Nous avons étudié la composition de ces cristaux dont les variations autour de la composition stoechiométrique sont surtout dues à l’évaporation du Ga2O au cours de la croissance compensée par un excès de Ga2O3 dans le mélange initial. Pour déterminer cette composition, la technique ICP-AES, précédée par une mise en solution par fusion alcaline, est la plus fiable.La présence d’impuretés chimiques, telles que les éléments métalliques ou les terres rares, liée à la pureté des oxydes de base, au frittage de la charge dans un creuset alumine… est étudiée. Nous expliquons ainsi la nature des centres colorés qui évolue selon l’atmosphère de tirage ou lors d’un recuit particulier.C’est ainsi que nous avons déterminé certaines propriétés de LGT permettant l’obtention de dispositifs comme les résonateurs à ondes de volume dont le produit Q.f est supérieur à celui des résonateurs à quartz. Pour cela, nous montrons notamment qu’il est nécessaire que :- la composition du cristal soit la plus proche possible de la stoechiométrie,- la résistivité électrique soit la plus grande possible,- l’étude spectroscopique ne révèle aucune absorption dans le domaine du visible.Dans ces conditions, le facteur de qualité Q d’une résonance à 10 MHz peut être de 1.44 million au point d’inversion de la courbe fréquence-température (1.35 pour le quartz) mais qu’il diminue notablement pour atteindre 0.35 million si nous pratiquons un recuit sous air à 1000°C pendant 48 h. / We have characterized Langatate piezoelectric crystals La3Ga5.5Ta0.5O14 (LGT), differently colored in order to evaluate the defects influence on the quality of Bulk Acoustic Waves resonators for the Time and Frequency domain.We have analyzed the composition of crystals whose variations around stoichiometric composition are mainly due to the evaporation of the Ga2O during growth compensated by adding an excess of Ga2O3 in the initial mixture. Among different techniques, the ICP-AES spectrometry, preceded by a dissolution by alkaline fusion seems to be the most accurate technique to determine the composition.The inevitable presence of chemical impurities, such as metallic elements, rare earth… linked to the purities of the raw materials, to the sintering of the load in an alumina crucible… is also studied. We try to explain in particular the nature of the color centers that evolve according to the growth atmosphere or during a particular annealing.So, we conclude by a list of necessary properties to obtain BAW resonators exhibiting a Q.f product higher than quartz. For this, we establish that it is necessary that:- the crystal composition is as close as possible to the stoichiometric composition,- the electrical resistivity is the highest possible,- the spectroscopic study does not reveal any absorption band in the visible domain.In these conditions, we were able to highlight that the quality factor of a 10 MHz resonance is of 1.44 million at the inversion temperature of the frequency-temperature curve (1.35 for the quartz crystal in the same conditions), but that this one decreases significantly to reach 0.35 million if we perform an annealing under air at 1000 °C during 48 hours.

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'étude de matériaux piézoélectriques de synthèse de la famille des langasite et sur la réalisation de micro-résonateurs basse fréquence dans ces matériaux. La première partie de l'étude se concentre sur la recherche des orientations des coupes compensées en température pour les coupes X de la langasite (LGS) et de la langatate (LGT), pour les modes d'extension selon Y et de flexion autour de X. Un modèle analytique simple et des simulations par éléments finis permettent de déterminer les valeurs théoriques de ces orientations. Des dispositifs de types barreau et diapason sont ensuite réalisés afin d'effectuer des mesures électriques pou confirmer l'existence de ces coupes compensées. La seconde partie de l'étude concerne la fabrication de micro-résonateurs en langasite. Plusieurs méthodes d'usinage (mécanique, DRIE,...) sont envisagées avant que notre choix ne se porte sur l'usinage chimique (solution HCl). Le procédé de fabrication est détaillé puis des mesures de vibration sont menées pour les dispositifs obtenus.

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'amélioration des sources ultra-stables de fréquences dans le domaine des temps courts (typiquement inferieurs à une minute). Deux voies d'investigations ont été explorées : <br />- La première concerne l'évaluation des potentialités des matériaux de la famille de la langasite (LGS). Une classification des coefficients de qualité (Q) des matériaux LGS et langatate (LGT) en fonction de leurs provenances a été mise en évidence. Les premiers prototypes de résonateurs à ondes de volume ont été réalisés dans un cristal de LGT à fort Q. A cette occasion un procédé de fabrication spécifique a été mis au point. Une électronique d'oscillateur et un packaging thermique adaptés aux caractéristiques de ces résonateurs ont été développés. Enfin, ces premiers prototypes d'oscillateurs ont été caractérisés en terme de stabilité temporelle et de vieillissement.<br />- La seconde voie exploratoire concerne la mise en place d'un ensemble expérimental permettant la réfrigération d'oscillateurs à résonateurs à ondes de volume à des températures inférieures à celles de l'hélium liquide (4,2K). Pour cela, des résonateurs en quartz de coupe SC et LD, et en LGT de coupe Y, ont été caractérisés à basses températures. Une campagne de mesures systématiques a révélé des coefficients de qualité exceptionnels pour certains modes de vibration. Par ailleurs, différents modèles de transistors ont été testés et l'une des références testées a été modélisée simplement, à température cryogénique. Deux premiers prototypes d'oscillateurs à résonateur à quartz de coupe SC ont été développés puis testés à basses températures. Il en résulte les toutes premières caractérisations en terme de stabilité temporelle.