Céramiques transparentes par cristallisation complète du verre : application aux aluminosilicates de strontium

• Main Author: Al Saghir, Kholoud
• Other Authors: Orléans
• Language: en
• Published: 2014
• Subjects: Céramique transparente; Vitrocéramique; Verre; Aluminate de strontium; Aluminosilicate de strontium; Cristallisation; Diffraction sur poudre; Résolution structurale; Microstructure; RMN; Calcul DFT; Désordre; Biréfringence; Anisotropie; Optique; Photonique; Transparent ceramics; Glass-ceramics; Glass; Strontium aluminate; Strontium aluminosilicate; Crystallization; Powder diffraction,; Structural resolution; NMR; DFT calculations,; Disorder; Birefringence; Anisotropy; Optics; Photonics; 666
• Online Access: http://www.theses.fr/2014ORLE2023/document

Les céramiques transparentes élaborées par cristallisation complète du verre constituent une nouvelle famille de matériaux de qualité photonique en compétition avec la technologie des monocristaux pour les applications optiques. Cette approche verrière offre des avantages considérables par rapport aux monocristaux et aux céramiques polycristallines frittées : un coût réduit, la possibilité d’une production à grande échelle, une large gamme de compositions chimiques accessibles, une mise en forme plus souple et un taux de dopage élevé. Dans le cadre de ce travail, nous avons synthétisé des céramiques polycristallines transparentes de Sr3Al2O6 et Sr3Ga2O6 (structures cubiques) par cristallisation complète du verre de même composition. Les verres d'aluminate de strontium (75SrO-25Al2O3) et de gallate de strontium (75SrO-25Ga2O3) sont élaborés par lévitation aérodynamique couplée à un dispositif de chauffage laser. La transparence de la céramique de Sr3Al2O6 obtenue s’explique par son isotropie optique, ses joints de grains très fins et sa structure totalement dense (non poreuse). Nous avons également développé une nouvelle famille de céramiques transparentes Sr1+x/2Al2+xSi2-xO8 (0<x≤0.4) obtenues par cristallisation complète et congruente du verre. La transmission exceptionnelle de plus de 90% dans la gamme visible et proche infrarouge est expliquée grâce à des études microstructurales et structurales. Cette transparence qui atteint la limite théorique est associée à une biréfringence quasi nulle, des joints de grains très fins et une porosité nulle. Les études par RMN prouvent l'existence d'un désordre chimique qui est à l'origine de la valeur pratiquement nulle de la biréfringence calculée par DFT. Ces matériaux céramiques polycristallins évolutifs et hautement transparents sont des candidats prometteurs pour une large gamme d'applications optiques et photoniques dans les gammes IR et visible. Cette étude a donc conduit à de nouvelles céramiques transparentes, avec des valeurs de transmission jamais atteintes jusqu’à présent pour des oxydes. Elle propose également une nouvelle approche pour l'obtention de céramiques transparentes dans le cas de matériaux anisotropes : introduire un désordre chimique contrôlé au sein du matériau afin d’induire une isotropie optique. Ce concept ouvre la voie à de nouvelles compositions, étendant ainsi le domaine des céramiques transparentes et de leurs applications. === Transparent polycrystalline ceramics elaborated by full crystallization from glass are an emerging class of photonicquality materials competing with single crystal technology, especially for optical applications. This approach provides considerable advantages over single crystals and polycrystalline sintered ceramics represented by cost effectiveness, large scale production, wide range of accessible chemical compositions, easy shaping and high doping level hosting structure. In this work, we show the preparation of transparent cubic Sr3Al2O6 and Sr3Ga2O6 polycrystalline ceramics by full crystallization from the parent strontium aluminate (75SrO-25Al2O3) and strontium gallate (75SrO-25Ga2O3) glasses elaborated by aerodynamic levitation coupled to laser heating system. The transparency of the obtained Sr3Al2O6 ceramics is explained by their optical isotropy, thin grain boundaries and highly dense (non-porous) microstructure. We also show a series of novel Sr1+x/2Al2+xSi2-xO8 (0<x≤0.4) oxide compositions leading to highly transparent and readily scalable polycrystalline ceramics to be obtained by full congruent glass crystallization. The outstanding transparency exceeding 90% in the visible and near IR range is explained through different microstructural and structural (average and local) studies. This transparency, reaching the theoretical limit, is associated to the almost null birefringence, thin grain boundaries and non-porosity. NMR experiments prove the existence of chemical disorder which is at the origin of the relatively zero birefringence value calculated by DFT computations. These scalable and highly transparent polycrystalline ceramic materials are promising candidates for a wide range of optical and photonic applications in the IR and visible ranges. This study besides revealing new ceramic compositions with previously unreported transmission values for micro-scale polycrystalline materials, proposes a new approach for obtaining transparent ceramics in anisotropic materials. This approach consists in inducing a controlled chemical disorder within the material in order to induce optical isotropy. It is anticipated that this proposed concept will open the way to different composition candidates to be elaborated as transparent polycrystalline ceramics, thus extending the ceramic technology domain and its applications.