L'étude des temps de vie des phonons et des mécanismes de transport thermique dans les systèmes cristallins complexes et désordonnés par spectroscopie inélastique des neutrons et des rayons X

The investigation of phonon lifetime and thermal transport mechanisms in complex and disordered crystalline systems by means of inelastic neutron and X-ray spectroscopy

• Auteur / Autrice : Shelby Rae Turner
• Direction : Marc de Boissieu, Stéphane Pailhès, Valentina Giordano, Frederic Bourdarot, Helmut Schober
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 22/10/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble) - Institut Max von Laue-Paul Langevin (Grenoble) - Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Virginie Simonet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jelena Sjakste
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Delaire, Mathieu Le Tacon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion inélastique

Zircone

Clathrates

Mots clés libres

Dynamique de réseau

Temps de vie des phonons

Clathrates

Alliages à haute entropie

Zircone stabilisée par l’yttria

Diffusion inélastique des neutrons et des rayons X

Lattice dynamics

Phonon lifetime

Clathrates

High-Entropy alloys

Yttria-Stabilized zirconia

Inelastic neutron and X-Ray scattering

Résumé

L'intérêt pour le développement et l'ingénierie des systèmes cristallins pour les applications thermiques s’est fortement accru ces dernières années notamment pour des applications nécessitant la fonctionnalisation de la thermique des matériaux à utiliser comme barrière thermique, convertisseur thermoélectrique, diode thermique etc. qui nécessitent le contrôle de la conductivité thermique. Le contrôle et design de la thermique d’un matériau nécessite de connaître les propriétés fondamentales de transport des porteurs élémentaires de la chaleur, les phonons.C'est plus facile à dire qu'à faire, cependant, car des modèles qui nous permettraient de comprendre le transport de chaleur dans ces matériaux complexes sont encore en cours de développement. De plus, nous manquons d’études expérimentales systématiques sur une large gamme de matériaux des dépendances en énergie et en température des dispersions et des temps de vie des phonons. Cela représente un obstacle à notre compréhension des systèmes plus complexes et désordonnés, qui sont généralement ceux nécessaires pour produire le spectre de conductivité thermique pour les applications mentionnées ci-dessus. Avec l'introduction d’un grand nombre d'atomes dans la maille élémentaire et/ou du désordre, nous devons maintenant faire le lien entre les effets de l’augmentation de la complexité structurale et des défauts sur le spectre des phonons, et, finalement, sur la conductivité thermique.Pour cela, je présente les spectres de phonons dans trois familles de matériaux qui présentent différents types de désordre structurel et de complexité. Ces contributions comprennent le clathrate inorganique de type-I Ba7.81Ge40.67Au5.33, défini par sa structure en cage et de nombreux atomes par maille élémentaire ; l’alliage à haute entropie équimolaire FeCoCrMnNi, décrit par un réseau FCC moyen mono-atomique avec un désordre chimique important ; et la zircone cubique stabilisée par l'yttria, caractérisée par un désordre étendu et corrélé, provoqué par l'inclusion de lacunes d'oxygène. À cette fin, j'ai mesuré expérimentalement les dispersions, temps de vie et libres parcours moyens des phonons en utilisant des techniques de diffusion inélastique des neutrons et des rayons X disponibles dans des très grandes infrastructures de recherche.Mes résultats confirment les calculs théoriques ab initio avec une approche self-consistante pour les clathrates, soulignant l'importance des termes anharmoniques quartiques qui déterminent le durcissement de la branche optique de plus basse énergie quand la température croît, ainsi que une faible dépendance en température de la conductivité thermique. L'étude de l’alliage FeCoCrMnNi établit la dynamique de réseau d'un alliage aléatoire à cinq éléments et démontre que le facteur limitant le temps de vie des phonons est associé aux fluctuations des constantes de force. Enfin, je revisite la dynamique de la zircone cubique stabilisée par l'yttria avec des mesures à plus haute résolution, apportant un nouvel aperçu sur l’interaction acoustique-optique dans le spectre des phonons et je montre que leur temps de vie résulte de la structure étendue des défauts dans ce matériau.A travers chacune de mes études de cas, je fournis la dépendance en énergie d'un type spécifique de mécanisme de diffusion de phonons. Ensuite, en détaillant méthodiquement ces caractéristiques dans chaque système, nous pouvons passer des propriétés microscopiques des phonons aux propriétés macroscopiques des matériaux, nous rapprochant ainsi de la compréhension du transport de chaleur dans les systèmes cristallins complexes et désordonnés.

Interest in the engineering of thermal process mechanisms has grown significantly in recent years, particularly for applications involving thermal functionalization of a material for use as a thermal barrier, thermoelectric converter, thermal diode, etc., which requires the control of thermal conductivity. The thermal manipulation and design of a material in turn requires knowledge of the fundamental transport properties of the elementary heat carrier particle, the phonon.This is easier said than done, however, since models that would allow us to comprehend heat transport in complex materials are still under development, and because we lack systematic energy and temperature dependencies of experimentally measured phonon dispersions and lifetimes on a wide range of materials. This presents a barrier to our understanding of more complex and disordered systems, which are typically the ones needed to produce the thermal conductivity spectrum for the applications listed above. With the introduction of the many more atoms per unit cell and/or the disorder, we must now connect the dots between the effects of increasing structural complexity and defects on the phonon spectrum, and, ultimately, on thermal conductivity.Within the context of overcoming these challenges, I present the phonon spectra in three families of materials that exhibit different types of structural disorder and complexity. These contributions include the inorganic type-I clathrate Ba7.81Ge40.67Au5.33, defined by its cage structure and many atoms per unit cell; the equimolar high-entropy alloy FeCoCrMnNi, represented by a simple and averaged monatomic FCC unit cell with significant chemical disorder; and cubic Yttria-Stabilized Zirconia, characterized by an extended and correlated defect structure brought on by the inclusion of oxygen vacancies. Towards this end, I have experimentally measured their phonon dispersions, lifetimes, and mean free paths using inelastic neutron and X-ray scattering techniques found at large-scale facilities.My results confirm the use of the ab-initio self-consistent phonon method calculations for clathrates, emphasizing the importance of quartic anharmonic terms in our understanding of both the hardening of the lowest-lying optical branch with increasing temperature, and in the reproduction of the weak temperature dependence of the lattice thermal conductivity. The FeCoCrMnNi alloy study establishes the lattice dynamics of a random five-element alloy, demonstrating that the factor limiting phonon lifetimes is associated to force-constant fluctuations. Finally, I revisit the lattice dynamics of cubic Yttria-Stabilized Zirconia with higher resolution measurements, bringing new insight into the acoustic-optic interaction within the phonon spectrum, and to the linewidth broadening that results from the extended defect structure in this material.Through each of my case studies, I provide the energy dependence of a specific type of phonon scattering mechanism. Then, by methodically detailing these features in each system, we can work upwards from their microscopic phonon properties to their macroscopic material properties, bringing us one step closer to understanding heat transport in complex and disordered crystalline systems.