Étude de l'ordre local dans l'oxygène solide par diffusion neutronique

Experimental study of the short range order in solid oxygen by neutron scattering

• Auteur / Autrice : Frédéric Dunstetter
• Direction : Pierre Becker
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 1988
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrons -- Diffusion

Cryostats

Monocristaux

Oxygène

Mots clés libres

Ordre local

Désordre orientationnel

Résumé

Nous avons étudié par diffusion neutronique l'ordre local dans les phases solides de l'oxygène comportant un désordre. La phase gamma, plastique et paramagnétique, comporte deux sites dont le désordre orientationnel est distinct. La phase béta comporte un ordre magnétique à courte distance. Afin d'étudier l'ordre local dans la phase plastique (gamma -02 T = 43. 8 -54. 4 K), nous avons construit un appareil permettant d'obtenir ''in situ'' et de façon reproductible de gros monocristaux sans aucun Cristallite parasite (diamètre 8mm, hauteur quelques cm. La reproductibilité de la méthode utilisée résulte d'une croissance sans surfusion du monocristal, empêchant la nucléation des cristaux parasités. Nous avons alors mesuré la diffusion diffuse due au désordre (à 50 K) et redéterminé la structure cristallographique (à 44 K et 53 K) en mesurant avec précision les raies faibles. L'étude des raies de Bragg permet d'améliorer la description du désordre orientationnel par rapport aux études précédentes et met en évidence un couplage translation-rotation pour certaines molécules. L'étude de la diffusion diffuse montre que la contribution intramoléculaire est majoritaire. L'analyse de l'anneau diffus observé à q = 2. 1 Å-1 montre que les corrélations orientationnelles se limitent aux premiers voisins et sont responsables du minimum de diffusion dans les directions <100>. Il reste une contribution inexpliquée que nous attribuons au désordre translationnel et au couplage translation-rotation, négligés par notre modèle analytique simple. Une étude par analyse de polarisation effectuée sur des échantillons polycristallins nous a permis de mesurer la diffusion diffuse magnétique des phases béta et gamma. Nous mettons en évidence des corrélations antiferromagnétiques entre premiers voisins dans la phase gamma paramagnétique. Dans la phase béta (T = 23. 9 -43. 8 K) nous proposons un ordre magnétique à courte distance, hélimagnétique et bidimensionnel, dans les plans hexagonaux.

The present study is devoted to the disordered solid phases of oxygen. The gamma-phase, plastic and paramagnetic, has two sites with different types of orientational disorder. In the beta-phase, one observes short-range magnetic order. In order to study the short range order of the plastic phase (gamma O2, T = 43. 8 - 54. 4 K), we developed a cryostat which produces ''in situ'' and in a reproducible way the large single crystals we needed (diameter 8mm, height several cm, no spurious crystallite). The reproducibility of the method is a result of growth at low supercooling, thus avoiding the nucleation of unwanted cristallites. We measured the diffuse scattering associated with the orientational disorder (at 50 K) and made a new determination of the crystallographic structure (at 44 and 53 K) by using the weak Bragg lines with special care. The crystallographic study improves the models of orientational disorder, compared to previous studies. Some molecules exhibit a rotation-translation coupling. The analysis of the diffuse scattering shows that the intramolecular contribution is dominant. The analysis of the experimental diffuse ring at 2. 1 Å-1 shows that the orientational correlations are restricted to the first neighbours and are responsible for the lower diffusion in the <100> directions. The unexplained contribution is attributed to the translational disorder and the rotation-translation coupling, neglected in our simple analytical model. We performed a polarization analysis neutron scattering experiment on polycrystalline samples in order to measure the magnetic part of the diffuse scattering in the beta and gamma phases. We observe antiferromagnetic correlations between the first neighbours in the paramagnetic gamma-phase. In the beta-phase (T=23. 9 K - 43. 8 K), our best model involves short range order, helimagnetic and bidimensional, up to second-nearest neighbour in the basal planes of the hexagonal lattice.