Croissance cristalline d`oxydes sous champ électrique

Croissance cristalline d’oxydes sous champ ´electrique
Patrick Hicher
To cite this version:
Patrick Hicher. Croissance cristalline d’oxydes sous champ ´electrique. Mat´eriaux. Universit´e
Paris-Saclay, 2016. Fran¸cais. <NNT : 2016SACLS543>.<tel-01490424>
HAL Id: tel-01490424
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Submitted on 15 Mar 2017
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NNT : 2016SACLS543
THESE DE DOCTORAT
DE
L’U NIVERSITE P ARIS -S ACLAY
PREPAREE A
L’U NIVERSITE P ARIS -S UD
E COLE D OCTORALE N °571
Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
Spécialité de doctorat : Chimie
Par
Mr Patrick HICHER
Croissance cristalline d’oxydes sous champ électrique
Thèse présentée et soutenue à Orsay, le 16 décembre 2016
Composition du Jury :
Mr Léo MAZEROLLES, Directeur de Recherche, Institut de Chimie et des Matériaux de Paris-Est, Président
Mr Thierry DUFFAR, Professeur, Institut Polytechnique de Grenoble, Rapporteur
Mr Philippe VEBER, Ingénieur, Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, Rapporteur
Mr Jean-Baptiste SIRVEN, Ingénieur, CEA-Saclay, Examinateur
Mr Patrick BERTHET, Professeur, Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay, Directeur de thèse
Mr Raphaël HAUMONT, Maitre de Conférences, Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay, Co-
directeur de thèse

1
Sommaire
Introduction ........................................................................................ 5
1. Aspects théoriques et technologiques de la croissance cristalline . 9
1.1. Introduction historique .................................................................................................... 9
1.2. Introduction théorique à la croissance cristalline depuis l’état fondu .............. 19
1.2.1. Formalismes thermodynamiques de la solidification .................................................... 19
1.2.2. Aspects dynamiques de la croissance cristalline : transports et transferts de chaleur et
de matière ...................................................................................................................................... 26
1.2.3. Conditions hydrodynamiques de la croissance cristalline ............................................. 31
2. Développement expérimental : four prototype haute tension ..... 39
2.1. Croissance au four à image ........................................................................................... 39
2.1.1. Vitesse de croissance ..................................................................................................... 42
2.1.2. Rotations mécaniques .................................................................................................... 43
2.1.3. Atmosphère de croissance ............................................................................................. 44
2.1.4. Préparation du barreau d’alimentation .......................................................................... 45
2.2. Conception du dispositif de champ électrique externe ........................................ 47
2.2.1. Contraintes physiques à la conception du dispositif de champ électrique ..................... 48
2.2.2. Modélisation électrostatique du dispositif ..................................................................... 53
2.2.3. Influences de la nature électrique des milieux solide-liquide ........................................ 56
2.3. Nature des sels et oxydes fondus .................................................................................. 60
2.3.1. Structure et propriétés électriques des sels fondus ........................................................ 60
2.3.2. Polarisation aux interfaces ............................................................................................. 63
2.4. Problématique des interfaces solide#liquide sous champ électrique ................ 64
2.4.1. Importance de la nature du milieu liquide ..................................................................... 65
2.4.2. Importance de la nature du milieu solide ....................................................................... 76
3. Croissance cristalline sous champs externes ............................... 83
3.1. Importance thermodynamique de la présence de champs extérieurs .............. 83
3.1.1. Thermodynamique et électrostatique............................................................................. 83
3.1.2. Impact thermodynamique des champs externes sur les transitions de phase ................ 85

2
3.1.3. Impact dynamique des champs externes sur les transitions de phase ............................ 90
3.1.4. Hypothèses des mécanismes de croissance cristalline d’oxydes sous champ électrique
externe ...................................................................................................................................... 94
3.2. Croissance par fusion de zone sous champ magnétique ...................................... 97
3.2.1. Influence du champ magnétique sur les conditions hydrodynamiques de croissance ... 97
3.2.2. Influence du champ magnétique sur le coefficient de partage ...................................... 99
3.2.3. Résultats expérimentaux relevés dans la littérature ..................................................... 105
4. Etude thermodynamique : le champ E comme paramètre intensif
supplémentaire ............................................................................... 113
4.1. Equilibres liquide#solide sous champ électrique .................................................. 113
4.1.1. Croissance de BaCo
2
V
2
O
8
sous champ électrique intense .......................................... 113
4.1.2. Déplacement des frontières dans les diagrammes de phases solide-liquide ................ 117
4.1.3. Une équivalence champ électrique-température ? ....................................................... 122
4.2. Mesures d’impédance ................................................................................................... 131
4.3. Microstructure de solidification sous champ ......................................................... 134
5. Processus de germination'croissance sous champ électrique .... 141
5.1. Germination sous champ électrique externe ......................................................... 141
5.1.1. Etat de l’art .................................................................................................................. 141
5.1.2. Solidification de goutte................................................................................................ 145
5.2. Dynamique de croissance sous champ électrique externe ................................. 147
5.2.1. Procédure expérimentale ............................................................................................. 149
5.2.2. Etude de la dynamique de croissance de TiO
2
sous champ électrique ........................ 158
5.2.3. Etude de la dynamique de croissance du matériau La
3
Ga
5
SiO
14
(LGS) ...................... 166
6. Potentiel d’interface et courants thermoélectriques .................... 179
6.1. Une FEM intrinsèque à la croissance cristalline .................................................... 179
6.2. Effets thermoélectriques par injection de courant ............................................... 187
6.2.1. Contrôle du coefficient de partage par injection de courant ........................................ 189
6.2.2. Contrôle des flux de chaleur par injection de courant ................................................. 190
6.3. Effet du champ électrique externe sur le coefficient de partage du Cr
3+
dans
TiO
2
............................................................................................................................................ 195
6.3.1. Conditions de croissance .............................................................................................
195