Transitions vers des états électroniques complexes et des structures super périodiques dans les bronzes mono phosphates de tungstènes

Transitions toward complex electronic states and super-periodic structures in the monophosphate tungsten bronzes family.

• Auteur / Autrice : Elen Duverger-Nédellec
• Direction : Olivier Perez, Alain Pautrat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/12/2017
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Ravy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Perez, Alain Pautrat, Pascal Roussel, Marc de Boissieu, Wilfrid Prellier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ferroélectricité

Transport

Électronique

Cristallographie

Ondes de densité de charge

Oxydes

Mots clés libres

Bronzes monophosphate de tungstène MTPB

Oxydes fonctionnels

Apériodicité

Mesures de transport

Résistivité

Monophosphate tungsten bronze MTPB

Functional Oxides

Charge density wave

Crystallography

Aperiodicity

Transport measurements

Resistivity

Ferroelectricity

Résumé

Les matériaux conducteurs de basse dimensionnalité électronique peuvent présenter des transitions vers des états électroniques complexes tels que la supraconduction, les Ondes de Densité de Spins (ODS) et les Ondes de Densité de Charges (ODC). La coexistence de plusieurs de ces instabilités au sein d’un même matériau a donné lieu à une recherche active de nouveaux systèmes conducteurs quasi-bidimensionnels. Dans cette thèse nous avons choisi de nous intéresser à la famille des Bronzes MonoPhosphate de Tungstène à tunnels pentagonaux (MPTBp), de formule chimique (PO2)4(WO3)2m ; l’un des principaux intérêts réside dans la possibilité de contrôler directement la dimensionnalité du matériau et sa densité de porteurs en faisant varier la valeur de m (2 ≤ m ≤ 14). Dans la littérature il a été montré que certains termes de cette famille (m=4, 5, 6) admettent des états ODC successifs alors que d’autres (m=10) présentent des ordres de type ferro électrique ; l’objectif de cette thèse est alors de montrer l’effet de la dimensionnalité du matériau sur l’apparition et la stabilité de ces états électroniques dans les MPTBp. Pour cela, des mesures de transport électronique, des études des structures modulées incommensurables et commensurables par diffraction des rayons X avant et après chaque transition et des mesures de diffusion inélastique ont été effectuées sur plusieurs termes à valeur de m pair. Dans ce travail nous avons pu montrer l’existence d’un état ODC pour les termes m=2, 4, 6, 8 et 10, caractérisé par la formation d’amas de tungstène dans certaines régions du matériau, accompagné, pour les m=8 et 10, de l’installation progressive d’une mise en ordre de type anti-ferroélectrique des déplacements des atomes de tungstène. Un phénomène de dépiégeage d’ODC a été observé pour le terme quasi-unidimensionnel m=2, ce qui n’avait encore jamais été reporté chez les MPTBp. Un couplage électron-phonon fort a pu être mis en évidence pour les hauts termes (m ≥ 8) à la fois via les analyses structurales, l’observation de transitions résistives du premier ordre mais également par des mesures de diffusion inélastique des rayons X. Pour ces hauts termes, une transition de type ordre-désordre est alors à envisager.

Conductive materials with low electronic dimensionality can present some transitions toward complex electronic states as superconductivity, Spin Density Waves (SDW) and Charge Density Waves (CDW). The coexistence of several of these instabilities in the same material leads to bustling investigations on new quasi-bidimensional conductors. In this thesis, we chose to study the MonoPhosphate Tungsten Bronzes with pentagonal channels family (MPTBp), of chemical formula (PO2)4(WO3)2m ; one of the main interests of this family is the possibility to directly control the compound’s dimensionality and its carriers density by varying m value (2 ≤ m ≤ 14). In the literature, it’s been shown that some MPTBp members (m=4, 5, 6) present successive CDW states whereas others (m=10) show ferroelectric-type orders. The aim of this thesis is thus to bring into light the effect of the material’s dimensionality on the appearance and the stability of these electronic states in the MPTBp family. In this way, transport measurements, X-Rays diffraction studies of the commensurate and incommensurate modulated structures below and above each transition and inelastic scattering measurements were done on several members with even value of m. In this work we reveal the existence of a CDW state for the m=2, 4, 6, 8 and 10 members, characterized by the formation of tungsten clusters in some areas of the crystal. For the m=8 and 10 members, the CDW is accompanied by a gradual installation of an anti-ferroelectric-like ordering of the tungsten atoms displacements. A CDW depinning phenomenon was observed for the quasi-unidimensional m=2 member, which has never been reported before in the MPTBp family. A strong electron-phonon coupling was evidenced for the high terms of the family (m ≥ 8) by structural analysis, first order resistive transitions observation and by X-Rays inelastic scattering measurements. For these high terms, an order-disorder transition must be considered.