Perspective dynamique de la stabilité des verres

Dynamical perspective of stability in glasses

• Auteur / Autrice : Irene Festi
• Direction : Jean-Louis Hazemann, Baldi Giacomo
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Université de Trente
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel

Mots clés

Mots clés libres

Stabilité du verre

Dynamique microscopique

Verre ultra-stables

Verre de chalcogénures

Physique des rayons X

Glass stability

Microscopic dynamics

Ultra-stable glass

Chalcogenides glass

X-ray Physics

Résumé

Les verres sont des matériaux mystérieux. De nombreux matériaux peuvent devenir un verre, allant d'un liquide visqueux à une suspension colloïdale, une émulsion ou un système biologique. Blocages fondamentaux dans de nombreux processus naturels et technologiques, leurs propriétés intriguent encore aujourd'hui une large communauté de scientifiques en raison de leur nature complexe hors d'équilibre et de leur structure microscopique et désordonnée [1]. Au cours du siècle dernier, des verres organiques, chalcogénures et métalliques ont été développés. Comme les verres sont des systèmes hors équilibre, leur stabilité change avec le temps, ce qui rend la stabilité cruciale pour les applications de haute technologie. L'objectif de ce travail de doctorat est d'étudier la stabilité du verre et son effet sur la dynamique microscopique de la picoseconde à la centaine de secondes. La stabilité du verre peut être influencée par la méthode utilisée pour le préparer. Par exemple, le dépôt physique en phase vapeur, par opposition à la technique conventionnelle de trempe par fusion, permet de produire des verres ultra-stables dont la stabilité est nettement supérieure à celle des verres conventionnels. La stabilité peut également être modifiée par des traitements thermomécaniques tels que l'augmentation de la température ou de la pression. L'objectif de ce projet de doctorat est, d'une part, de mesurer la dynamique vibratoire (échelle ps) d'un verre ultra-stable et de la comparer à celle d'un verre conventionnel correspondant. D'autre part, nous voulons étudier la dépendance de la relaxation structurelle (échelle des centaines de secondes) lorsque les verres sont soumis à une compression de pression GPa. La thèse se concentrera sur l'étude de la dynamique de relaxation de verres de chalcogénures distincts en utilisant des techniques de pointe telles que la Diffusion inélastique des rayons X avec analyse de la résonance nucléaire, la spectroscopie de corrélation de photons X et la diffraction des rayons X à haute énergie dans les synchrotrons modernes (ESRF Grenoble, France et DESY, Hambourg, Allemagne) [3], et des techniques de laboratoire avancées telles que la nanocalorimétrie à puce rapide [4], la spectroscopie Raman et la diffusion dynamique de la lumière. Ce projet a reçu un financement de l'Université de Trente en Italie et du Conseil européen de la recherche (ERC) dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne (accord de subvention n° 948780). Irene Festi travaillera dans un environnement international. Elle passera 18 mois en Italie et 18 mois en France et collaborera également aux projets des autres membres des groupes et elle effectuera des détachements dans des laboratoires partenaires et des synchrotrons européens. [1] P.G. De Benedetti and F.H. Stillinger, Nature, 410, 259 (2001). [2] M. Wuttig and N. Yamada, Nat. Mater. 6, 824 (2007). [3] A. Madsen, A. Fluerasu and B. Ruta, Structural Dynamics of Materials Probed by X-Ray Photon Correlation Spectroscopy (Cham: Springer International Publishing) pp 1–21 (2015) [4] X Monnier, D Cangialosi, B Ruta, R Busch, I Gallino, Science Adv. 6, eaay1454 (2020)

Glasses are mysterious materials. Many materials can become a glass, ranging from a viscous liquid to a colloidal suspension, an emulsion, or a biological system. Fundamental blocks in many natural and technological processes, still, their properties keep puzzling a large community of scientists nowadays due to their complex out-of-equilibrium nature and their microscopic, disordered structure [1]. Over the last century, organic, chalcogenide and metallic glasses have been developed. Since glasses are non-equilibrium systems, their stability changes over time, making stability crucial for high-tech applications. The aim of this Ph.D. work is to investigate the stability of glass and its effect on microscopic dynamics from picoseconds to hundreds of seconds. The stability of glass can be influenced by the method used to prepare it. For example, physical vapour deposition, as opposed to the conventional melt-quenching technique, allows the production of ultra-stable glasses that have significantly higher stability than conventional glasses. Stability can also be altered by thermo-mechanical treatments such as increasing temperature or pressure. The aim of this PhD project is, on the one hand, to measure the vibrational dynamics (ps scale) of an ultra-stable glass and compare it with that of a corresponding conventional glass. On the other hand, we want to study the dependence of the structural relaxation (hundreds of seconds scale) when glasses are subjected to GPa pressure compression. The Ph.D. thesis will focus on the investigation of the microscopic dynamics of glasses by using state-of-the-art techniques such as Inelastic X-ray Scattering with Nuclear Resonance Analysis, X-ray Photon Correlation Spectroscopy and high energy X-ray Diffraction in modern synchrotrons (ESRF Grenoble, France and DESY, Hamburg, Germany) [3], and advanced laboratory techniques as fast chip nanocalorimetry [4], Raman Spectroscopy and Dynamic Light Scattering. This project has received funding from the University of Trento in Italy and the European Research Council (ERC) under the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement No. 948780). Irene Festi will work in an international environment. She will spend 18 months in Italy and 18 months in France and collaborate also to the projects of the other members of the groups and she will perform secondments in partner laboratories and European synchrotrons. [1] P.G. De Benedetti and F.H. Stillinger, Nature, 410, 259 (2001). [2] M. Wuttig and N. Yamada, Nat. Mater. 6, 824 (2007). [3] A. Madsen, A. Fluerasu and B. Ruta, Structural Dynamics of Materials Probed by X-Ray Photon Correlation Spectroscopy (Cham: Springer International Publishing) pp 1–21 (2015) [4] X Monnier, D Cangialosi, B Ruta, R Busch, I Gallino, Science Adv. 6, eaay1454 (2020)