Thèse soutenue le 22 octobre 2021 pour obtenir le grade de docteur de l'Université Grenoble Alpes - Spécialité : 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Résumé :
L’intérêt pour le développement et l’ingénierie des systèmes cristallins pour les applications thermiques s’est fortement accru ces dernières années notamment pour des applications nécessitant la fonctionnalisation de la thermique des matériaux à utiliser comme barrière thermique, convertisseur thermoélectrique, diode thermique etc. qui nécessitent le contrôle de la conductivité thermique. Le contrôle et design de la thermique d’un matériau nécessite de connaître les propriétés fondamentales de transport des porteurs élémentaires de la chaleur, les phonons.
C’est plus facile à dire qu’à faire, cependant, car des modèles qui nous permettraient de comprendre le transport de chaleur dans ces matériaux complexes sont encore en cours de développement. De plus, nous manquons d’études expérimentales systématiques sur une large gamme de matériaux des dépendances en énergie et en température des dispersions et des temps de vie des phonons. Cela représente un obstacle à notre compréhension des systèmes plus complexes et désordonnés, qui sont généralement ceux nécessaires pour produire le spectre de conductivité thermique pour les applications mentionnées ci-dessus. Avec l’introduction d’un grand nombre d’atomes dans la maille élémentaire et/ou du désordre, nous devons maintenant faire le lien entre les effets de l’augmentation de la complexité structurale et des défauts sur le spectre des phonons, et, finalement, sur la conductivité thermique. Pour cela, je présente les spectres de phonons dans trois familles de matériaux qui présentent différents types de désordre structurel et de complexité. Ces contributions comprennent le clathrate inorganique de type-I Ba_7.81Ge_40.67Au_5.33, défini par sa structure en cage et de nombreux atomes par maille élémentaire ; l’alliage à haute entropie équimolaire FeCoCrMnNi, décrit par un réseau FCC moyen mono-atomique avec un désordre chimique important ; et la zircone cubique stabilisée par l’yttria, caractérisée par un désordre étendu et corrélé, provoqué par l’inclusion de lacunes d’oxygène. À cette fin, j’ai mesuré expérimentalement les dispersions, temps de vie et libres parcours moyens des phonons en utilisant des techniques de diffusion inélastique des neutrons et des rayons X disponibles dans des très grandes infrastructures de recherche.
Mes résultats confirment les calculs théoriques ab initio avec une approche self-consistante pour les clathrates, soulignant l’importance des termes anharmoniques quartiques qui déterminent le durcissement de la branche optique de plus basse énergie quand la température croît, ainsi que une faible dépendance en température de la conductivité thermique. L’étude de l’alliage FeCoCrMnNi établit la dynamique de réseau d’un alliage aléatoire à cinq éléments​ et démontre que le facteur limitant le temps de vie des phonons est associé aux fluctuations des constantes de force. Enfin, je revisite la dynamique de la zircone cubique stabilisée par l’yttria avec des mesures à plus haute résolution, apportant un nouvel aperçu sur l’interaction acoustique-optique dans le spectre des phonons et je montre que leur temps de vie résulte de la structure étendue des défauts dans ce matériau.
A travers chacune de mes études de cas, je fournis la dépendance en énergie d’un type spécifique de mécanisme de diffusion de phonons. Ensuite, en détaillant méthodiquement ces caractéristiques dans chaque système, nous pouvons passer des propriétés microscopiques des phonons aux propriétés macroscopiques des matériaux, nous rapprochant ainsi de la compréhension du transport de chaleur dans les systèmes cristallins complexes et désordonnés.

Jury :
Présidente : Madame Virginie Simonet
Rapporteur : Monsieur Olivier Delaire
Rapporteur : Monsieur Matthieu Le Tacon
Examinateur : Madame Jelena Sjakste
Membre : Monsieur Marc de Boissieu
Membre : Monsieur Stéphane Pailhès
Invitée : Madame Valentina Giordano
Invité : Monsieur Frédéric Bourdarot
Invité : Monsieur Helmut Schober
Directeur de thèse : Marc de Boissieu
Co-direction de thèse : Stéphane Pailhès, Valentina Giordano, Frédéric Bourdarot, et Helmut Schober

Mots clés :
Dynamique de réseau, temps de vie des phonons, clathrates, alliages à haute entropie, zircone stabilisée par l’yttria et diffusion inélastique des neutrons et des rayons X

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