Transport de chaleur dans le titanate de strontium et titanate d’europium(II)

Thermal transport in strontium titanite and europium(II) titanate

• Auteur / Autrice : Shan Jiang
• Direction : Kamran Behnia, Benoît Fauqué
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d’étude des matériaux (Paris ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Abhay Shukla
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stephen Rowley
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Johan Chang, Sylvie Hebert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phonons

Hall, Effet

Titane

Diélectriques

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Paraélectrique quantique

Effet Hall thermique

Loi de Wiedemann et Franz

Quantum paraelectric

Thermal Hall effect

Wiedemann–Franz law

Résumé

Dans cette thèse, nous avons étudié systématiquement les propriétés de transport thermique dans deux matériaux diélectriques quantiques : le titanate de strontium (SrTiO3) et le titanate d’europium (EuTiO3). Dans la première partie, nous avons rapporté une étude sur l’effet Hall thermique dans le SrTiO3 évoluant avec la substitution atomique. Lorsque le Sr est substitué par du Ca pour stabiliser l’ordre ferroélectrique, l’effet Hall thermique provenant des phonons est supprimé, ce qui souligne le rôle des fluctuations ferroélectriques dans la génération de l’effet Hall thermique. Cet effet est amplifié en retirant des atomes d’oxygène et en induisant l’émergence d’une métallicité diluée. Dans ce cas, nous identifions une nouvelle source de l’effet Hall thermique, qui est le phénomène de traînée des phonons dans le contexte d’un angle de Hall électronique exceptionnellement grand. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur la conductivité thermique électronique dans le SrTiO3 dopé au néodyme. En séparant les contributions électroniques et phononiques au transport de chaleur, nous extrayons la résistivité thermique électronique et montrons qu’elle présente une dépendance en température en T-carré. Ensuite, en la comparant avec sa résistivité électrique en T-carré, nous constatons que la loi de Wiedemann-Franz est strictement respectée à la limite de température nulle, mais que les préfacteurs en T-carré sont différents d’un facteur d’environ 3. Cela est similaire à d’autres liquides de Fermi. En nous rappelant le cas du 3He, nous avançons l’argument que la résistivité thermique en T-carré ne nécessite pas d’événements d’Umklapp. La récupération approximative de la loi de Wiedemann-Franz en présence de désordre pourrait expliquer une résistivité électrique en T-carré sans événements d’Umklapp. Dans la troisième partie, nous avons étudié les propriétés de transport électrique, thermique et thermoélectrique de l’EuTiO3. La dépendance en température de la résistivité électrique et du coefficient de Seebeck nous a permis de conclure que la bande interdite isolante est de 0,22 eV. De plus, la conductivité thermique de l’EuTiO3 est considérablement réduite et présente une amplitude et une dépendance en température semblables à la silice amorphe.

In this thesis, we systematically studied the thermal transport properties in two quantum para electrics: strontium titanate( SrTiO3 ) and Europium Titanate (EuTiO3). In the first part, we reported a study on the thermal Hall effect in SrTiO3 evolving with atomic substitution. When Sr is substituted by Ca stabilizing the ferroelectric order, the thermal Hall effect coming from the phonon is suppressed which points to the role of ferroelectric fluctuations in generating the thermal Hall effect. It is amplified by removing oxygen atoms and the emergence of dilute metallicity. In this case, we identify a new source of the thermal Hall effect, which is phonon drag in the context of an exceptionally large electronic Hall angle. In the second part, we focus on the electronic thermal conductivity in Nd-doped SrTiO3. By separating electron and phonon contributions to heat transport, we extract the electronic thermal resistivity and show that it displays a T-square temperature dependence. Then compared with its T-square electrical resistivity, we found that the Wiedemann-Franz law strictly holds in the zero-temperature limit but the two T-square prefactors are different by a factor of ≈ 3. It’s similar to other Fermi liquids. Recalling the case of 3He, we argue that T-square thermal resistivity does not require Umklapp events. The approximate recovery of the Wiedemann-Franz law in the presence of disorder would account for a T-square electrical resistivity without Umklapp. In the third part, We studied the electric, thermoelectric, and thermal transport properties of EuTiO3. The temperature dependence of electric resistivity and the Seebeck coefficient allowed us to conclude that the insulating band gap is 0.22 eV. Moreover, the thermal conductivity of EuTiO3 is drastically reduced and has an amplitude and temperature dependence akin to amorphous silica.