Développement et caractérisation de céramiques spinelles transparentes ZnGa2O4

New transparent ZnGa2O4 ceramics : synthesis and characterization

• Auteur / Autrice : Claire Mevel
• Direction : Gaëlle Delaizir, Sébastien Chenu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitement de surface
• Date : Soutenance le 26/10/2021
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Allix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaëlle Delaizir, Sébastien Chenu, Monique Comte
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvain Marinel, Claude Estournès

Mots clés

Mots clés contrôlés

Luminescence

Spark plasma sintering (métallurgie)

Matériaux céramiques

Mots clés libres

Céramique transparente

ZnGa2O4

Dopage

Transparent ceramic

ZnGa2O4

Spark Plasma Sintering

Luminescence

Doping

Résumé

Depuis quelques années, les céramiques transparentes sont largement étudiées pour leurs propriétés optiques et mécaniques et leurs applications dans les domaines de la photonique (laser de puissance, …) ou militaire (radôme, fenêtre, …). Par rapport aux monocristaux dont elles reproduisent les caractéristiques techniques, leur synthèse est facilitée, plus rapide et moins onéreuse. Aujourd’hui, elles sont le plus souvent synthétisées par des méthodes de frittage sous charge (Spark Plasma Sintering, Hot Isostatic Pressing ou Hot Pressing). Il s’agit par exemple d’Al2O3, de YAG ou encore de MgAl2O4. Ce dernier cristallise sous forme de spinelle cubique et sa composition permet notamment l’obtention d’une fenêtre de transmission large (de 0,25 à 9 μm). D’autres espèces de même structure cristalline, telles que ZnAl2O4, sont également étudiées dans la littérature. Au cours de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur la synthèse de nouvelles céramiques transparentes ZnGa2O4 par Spark Plasma Sintering. Plusieurs voies de synthèse ont été étudiés, notamment en modifiant la poudre initialement introduite dans la matrice graphite. Le frittage « pseudo-réactif » d’un mélange ZnO-Ga2O3, la densification d’une phase mère ZnGa2O4 ainsi que la consolidation de cristaux nanométriques ZnGa2O4 obtenus par lixiviation d’une vitrocéramique ont permis d’obtenir ces céramiques transparentes par SPS. La faisabilité de ces différentes synthèses a donc été montrée. Des céramiques Cr3+:ZnGa2O4 et Ni2+:ZnGa2O4 ont également pu être obtenues par frittage « pseudo-réactif » et leurs propriétés optiques ont été étudiées.

For a few years, transparent ceramics were widely studied due to their optical properties and applications in photonic (high power laser, …). Owing to their polycrystalline structure, their mechanical properties are increased, allowing to expend the prospective applications to the military field (radome, window, …). Compared to monocrystalline materials from which they mimic the properties, their synthesis route is easier, less time-depending and less expensive. Today, various types of transparent ceramics, such as alumina (Al2O3), Yttrium Aluminum Garnet or magnesium aluminum spinel (MgAl2O4), were synthetized by pressured sintering (Spark Plasma Sintering, Hot Isostatic Pressing or Hot Pressing). MgAl2O4 is crystallized under a cubic spinel structure and its composition induces a wide transparency range for the material (from 0.25 to 9 μm). Other spinel structure compounds, such as ZnAl2O4, are also studied. During this thesis, we have concentrated on the Spark Plasma Sintering synthesis of new zing gallate spinel (ZnGa2O4) transparent ceramics. To do so, three different routes were investigated: pseudo-reactive sintering of a ZnO-Ga2O3 mixture, densification a preformed ZnGa2O4 phase and consolidation of ZnGa2O4 nanocrystals obtained through a glass-ceramic lixiviation. The feasibilities of their synthesis were proved and both Cr3+:ZnGa2O4 et Ni2+:ZnGa2O4 ceramics were obtained by pseudo-reactive sintering and their optical properties were studied.