Développement de nouvelles céramiques transparentes dans le diagramme pseudo-ternaire Gd2O3-Ga2O3-Nb2O5 pour des applications LASER

Development of new transparent ceramics in the Gd2O3-Ga2O3-Nb2O5 pseudo-ternary diagram for LASER applications

• Auteur / Autrice : Renaud Valois
• Direction : Mathieu Allix, Véronique Jubera
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 07/02/2025
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEMHTI - Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Allix, Jean-René Duclere, Nicolas Barrier, Gwenaëlle Rousse, Marie-Hélène Chambrier, Michael John Pitcher, Véronique Jubera
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-René Duclere, Nicolas Barrier

Mots clés

Mots clés libres

Céramiques transparentes

Cristallisation

Laser

Structure cristalline

Luminescence

Transparent ceramics

Crystallisation

Laser

Crystalline structure

Luminescence

Résumé

Cette thèse est consacrée au développement de nouvelles (vitro)-céramiques transparentes dans le diagramme pseudo-ternaire Gd2O3 - Ga2O3 - Nb2O5. Ces matériaux sont susceptibles de posséder de faibles énergies de phonon, facilitant la transparence dans l'infrarouge proche/moyen pour des applications en tant que nouveaux milieux amplificateurs laser. L'utilisation de la lévitation aérodynamique (ADL) couplée au chauffage par laser CO2 a permis la vitrification des certaines compositions au sein du diagramme pour la première fois. En outre, l'utilisation de l'ADL a facilité la synthèse de nouvelles céramiques transparentes par cristallisation directe du liquide surfondu dans la solution solide Gd3+xNb1-xO7-x (0<x<0,4), qui a elle-même été découverte dans le cadre de ce travail de thèse. Les expériences de diffraction des électrons rétrodiffusés ont révélé une microstructure du type monocristal très inhabituelle qui explique la transparence des échantillons. D'un point de vue cristallographique, le sous-réseau cationique de base de la fluorine est respecté dans toute la solution solide, mais il existe trois types différents types de mise en ordre à courte distance en fonction de la composition, comme le montrent la diffraction des rayons X synchrotron et la diffraction des rayons X sur monocristal. L'échantillon x = 0,4 est un nanocomposite complexe avec une interface cohérente entre les deux types de domaines qui assure la transparence, comme montré par HAADF-STEM.

This thesis is devoted to the development of novel transparent glass-ceramics within the Gd2O3 - Ga2O3 - Nb2O5 pseudoternary diagram. Such materials are expected to have low phonon energies, facilitating transparency in the near/mid infra-red with applications as new laser-gain media. The use of aerodynamic levitation (ADL) coupled with CO2 laser heating, permitted vitrification in the diagram for the first time. Additionally, the use of ADL facilitated the synthesis of new transparent ceramics by direct crystallisation of the supercooled liquid from the Gd3(GdxNb1-x)O7-x (0<x<0.4) solid solution, which itself was discovered as part of this work. Electron back scattering diffraction experiments revealed a highly unusual single-crystal like microstructure which explained the sample's transparency. From a crystallographic perspective, the basic fluorite cation sublattice is respected throughout the solid-solution. However, three types of short-range ordering are observed depending on the composition, as shown by synchrotron X-ray diffraction and single-crystal X-ray diffraction. The x = 0.4 member is a complex, but still transparent, nanocomposite due to coherent interfaces between ordered and disordered domains, as seen by atomic resolution HAADF-STEM.