Synthèse et étude de matériaux précurseurs avancés pour la planétologie expérimentale

Synthesis and study of advanced precursor materials for experimental planetology

• Auteur / Autrice : Baptiste Truffet
• Direction : Guillaume Fiquet, François Guyot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Planétologie
• Date : Soutenance le 06/01/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Chrystèle Sanloup
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alessandra Benuzzi-Mounaix, Julien Philippe Siebert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Merkel, Yanbin Wang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Rayons X -- Diffraction

Pulvérisation cathodique

Structure

Pérovskite

Planétologie

Mots clés libres

Pérovskite

CaTiO3

Haute-pression

Pulvérisation cathodique magnétron

Super-terre

Perovskite

CaTiO3

High-pressure

Physical vapour deposition

Super-earth

Résumé

Au cours de ce doctorat, nous avons étudié la pérovskite « vraie » CaTiO3, qui n'est certes pas un constituant planétaire majeur mais qui est structuralement analogue au composé principal des manteaux des planètes telluriques de formule approchée MgSiO3. Grâce au concept de pression chimique, CaTiO3 présente l'intérêt d'avoir un comportement analogue à celui de MgSiO3 mais à des pressions plus modérées. Après deux campagnes, une de compression statique par cellule à enclumes de diamants ainsi qu’une en compression dynamique par choc laser, nous avons mis en évidence la dissociation de la pérovskite de CaTiO3 en un assemblage CaO + CaTi2O5. Ce type de dissociation déjà proposé par l’étude théorique de MgSiO3 pourrait avoir un impact significatif sur la dynamique des manteaux silicatés de super-Terres et être mieux compris grâce au comportement de CaTiO3. Un second volet de la thèse repose sur la synthèse de matériaux par pulvérisation cathodique magnétron (PVD), élaborés sous forme de couches successives complexes afin d’ouvrir la voie vers des expériences dynamiques plus précises à ultra-haute pression sur les matériaux des manteaux planétaires. Les techniques de synthèses de matériaux multicouches sont aujourd’hui peu répandues dans le domaine de la géophysique et la planétologie. L’intérêt premier de développer cette méthode réside dans la possibilité de contrôler avec précision l’architecture et la métrologie des échantillons, produits de départ pour des expériences de compression tant statique que dynamique. Les dépôts ont été réalisés dans le quaternaire Mg-Fe-Si-O, c'est à dire les quatre éléments chimiques principaux des planètes telluriques. Nous avons été en mesure de synthétiser des couches minces de MgSiO3 stoechiométrique (jusqu’à 7 μm d’épaisseur) et de ~ Mg0,37Fe0,63SiO3, toutes deux caractérisées par une excellente homogénéité jusqu’à l’échelle nanométrique.

During this PhD, we studied the ''true'' mineral perovskite CaTiO3, which is certainly not a major planetary constituent but which is structurally analogous to the main compound of the mantles of telluric planets of approximate formula MgSiO3. Thanks to the concept of chemical pressure, CaTiO3 presents the interest to have a behavior similar to that of MgSiO3 but at more moderate pressures. After two campaigns, one of static compression by diamond anvil cell and one of dynamic compression by laser shock, we have demonstrated the dissociation of CaTiO3 perovskite into a CaO + CaTi2O5 assembly. This type of dissociation, already proposed by a theoretical study of MgSiO3, could have a significant impact on the dynamics of silicate mantles of super-Earths. Our discovery could help to better understand a possible MgSi2O5 phase in planetary mantles.A second part of the thesis is based on the synthesis of materials by magnetron sputtering (PVD), elaborated in the form of complex successive layers in order to open the way to more precise dynamic experiments at ultra-high pressure on the materials of planetary mantles. Multilayer materials are currently not widespread in the fields of geophysics and planetology. The main interest of developing this method lies in the possibility to control with precision the architecture and the metrology of the samples, which in a near future will be used as starting products for static and dynamic compression experiments. Deposits have been made in the quaternary Mg-Fe-Si-O, the four main chemical elements of rocky planets. We were able to synthesize thin films of stoichiometric MgSiO3 (up to 7 μm thick) and of ~ Mg0.37Fe0.63SiO3 composition, both characterized by excellent homogeneity down to the nanoscale.