Contribution à l'étude des propriétés optiques et structurales de solutions solides de niobates de potassium et de lithium K6Li4Nb10O30 (KLN) et de niobates et tantalates d'argent AgNb(x)Ta(1-x)O3 (ATN) pour apllications diélectriques hautes fréquences et génération de seconde harmonique

Contribution to the study of structural and optical properties of the solid solution of niobate of lithium and potassium K6Li4Nb10O30 (KLN) and niobate and tantalate of silver AgNb(x)Ta(1-x)O3 (ATN) for dielectric high frequency and second harmonic generation applications

• Auteur / Autrice : Wulfran Fortin
• Direction : Godefroy Kugel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Metz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pérovskites

Ferroélectricité

Spectroscopie Raman

Tungstène

Optique non linéaire

Résumé

Les propriétés physiques de deux types de cristaux construits sur le motif commun: l'octaèdre NbO6, un cristal à structure bronze de tungstène K6Li4Nb10O30 (KLN) et l'autre à structure pérovskite AgNb(x)Ta(1-x)O3 (ATN), ont été étudiées expérimentalement et théoriquement. Dans la section A, une étude par spectroscopie Raman et par génération de seconde harmonique effectuée sur des cristaux de type KLN, a permis de mettre en place un procédé de caractérisation non destructive du degré de non-stœchiométrie de nos échantillons: cela pour l'utilisation d'une relation entre la fréquence caractéristique d'un mode Raman et l'excès de niobium dans le cristal. L'étude par spectroscopie Raman a également mis en évidence une éventuelle présence d'un mode mou sur-amorti visible lors de la transition de phase ferroélectrique-paraélectrique. D'autre part les concentrations en Nb de nos échantillons ont été validés par une étude de l'accord de phase non-colinéaire lors de mesures de génération de seconde harmonique. Dans la section B de ce mémoire, nous avons analysé les propriétés dynamiques d'un composé de la famille des pérovskites: AgNb(x)Ta(1-x)O3 (ATN). Une étude (en collaboration avec des laboratoires russes, lithuaniens et polonais) de la réponse diélectrique de ce système, sur une très vaste gamme de fréquence (1 MHz - 30 THz) a mis en évidence l'existence d'une dispersion diélectrique haute fréquence (vers 0. 5 THz, située en dessous des dispersions phononiques), à caractère relaxationnel, due aux ions Nb5+. Ce fait a été validé par le test de deux types de fonctions réponse permettant de décrire de façon cohérente la transition de phase M2-M3 du système ATN. Le contrôle précis du taux de substitution de l'ion Nb5+ par Ta5+ permet d'ajuster la permittivité diélectrique entre 100 et 700 avec une grande stabilité et sans pertes dans une grande gamme de fréquence de 1 MHz à 100 GHz. Enfin, dans la section C, une réflexion plus générale sur les origines du comportement et de la nature des transitions de phase des cristaux à structure pérovskite et tungstène-bronze, ainsi que sur celles des non-linéarités est réalisée. Le rôle primordial de l'octaèdre NbO6, d'une éventuelle substitution du Nb5+ par des ions Ta5+, et de son environnement a été mis en évidence sur la base des résultats des sections A et B, et de données de la littérature

The physical properties of the tungsten bronze compound K6Li4Nb10O30 (KLN) and the perovskite compound AgNb(x)Ta(1-x)O3 (ATN), based on the common NbO6 octahedra, were studied theoretically and experimentally. These two families are intensively studied for their strong optical non linearities, suitable for laser beams generation and processing. In section A, a non destructive characterisation process of Nb excess in our samples was performed. It was based on a Raman spectroscopy study and a second harmonic generation study on KLN crystals, A correlation between the frequency of a characteristic mode and Nb excess was evidenced. The Raman spectroscopy study pointed out the possible presence of an overdamped soft mode near the ferroelectric-paraelectric phase transition. Moreover, the Nb concentration of our samples was confirmed by a non collinear phase matching study in SHG experiments. Owing to the extraordinary refraction index strong dependence on Nb concentration, a non critical phase matching can be performed by choosing the Nb content. The KLN system seems to be a promising material for frequency doubling integrated wave guides. In section B of the thesis, the dynamical properties of the perovskite compound AgNb(x)Ta(1-x)O3 (ATN) were analysed. Thanks to a collaboration with Russian (Moscow), Lithuanian (Vilnius) and polish (Katowice) laboratories, a study of the dielectric response of this system, on a broad frequency range ((1 MHz - 30 THz), evidenced the following facts : a high frequency (0. 5 THz) dielectric dispersion occurs, the dispersion exhibits a relaxational nature involving the Nb5+ ions. This dispersion was described by two kinds of response functions. , the control of Nb/Ta substitution can be used to set dielectric permittivity from 100 to 700 without losses in the 1 MHz - 100 GHz range, making ATN compound very interesting for high frequency dielectric devices. At last, in section C, a general discussion on the physical origins of the phase transitions and optical non linearities in the tungsten bronze and the perovskite compounds is presented. The role of NbO6 octahedra on these properties has been evidenced on the basis of the results of sections A and B, and on literature data