Dernière mise à jour: Novembre 2017

  • Sujet de stage M2 2017/2018: "Etude des réorganisations structurales des verres silicatés lors de la relaxation en température

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Résumé du travail demandé :

Mieux comprendre les liens entre la structure des verres et leurs propriétés macroscopiques (mécaniques, optiques,..) est un enjeu technologique très actuel. Par exemple, améliorer la résistance mécanique des verres aurait un impact essentiel dans les domaines du bâtiment, des smartphones,… Les verres silicatés (à base de SiO2 (silice)) sont les verres les plus couramment utilisés en industrie. Dans ce contexte, l’équipe SOPRANO a développé de solides liens avec des industriels, en particulier St Gobain Recherche. Dans ce cadre, le comportement mécanique et les modifications structurales des verres sous conditions extrêmes de pression font l’objet d’études depuis plusieurs années dans l’équipe SOPRANO [1-4]. Très récemment, il a été mis en évidence que la structure du verre SiO2 dépend de son histoire mécanique et thermique [5]. Pour approfondir la compréhension de la structure des verres, l’étude des mécanismes de relaxation structurale en température de verres SiO2 « pré-contraints » mécaniquement a abouti à des résultats originaux et inattendus [6].

         Pour approfondir ces études et se rapprocher des compositions chimiques utilisées en industrie, nous proposons une étude fondamentale sur la relaxation structurale en température de verres silicatés, ayant une composition chimique plus complexe. Ces verres sont composés essentiellement de SiO2 avec un ajout progressif d’ions modificateurs de réseau (Na+,K+,…). L’ajout des ions alcalins a pour effet d’abaisser la température de fusion du verre et de modifier sa structure.

         Pour modifier durablement un verre au niveau structural et au niveau de sa densité, il faut appliquer de très hautes pressions hydrostatiques, de plusieurs GPa. Pour cela, deux systèmes expérimentaux sont disponibles au laboratoire, une presse Belt (pression maximale 5GPa et température maximale 1500°C) qui permet d’obtenir des échantillons macroscopiques et une cellule à enclumes de diamants (pression maximale 25GPa) qui permet de faire des études spectroscopiques in-situ sous pression. 

            Plus spécifiquement dans le cadre du stage de M2, l’étudiant s’intéressera à l’effet de la température sur la réorganisation structurale in-situ en température de verres binaires xSiO2-(1-x)Na2O et xSiO2-(1-x)Li2O. En particulier, il s’agira de mieux comprendre le rôle des ions modificateurs de réseau sur l’évolution de la structure du verre lors de la relaxation suivant sa composition et son histoire mécanique. Les verres seront préalablement préparés sous hautes pressions et à différentes températures par presse Belt et en cellule à enclumes de diamants. L’étudiant se familiarisera avec les techniques hautes pressions et les techniques spectroscopiques (diffusions Raman, Brillouin). A l’issue de ce stage, l’étudiant aura approfondi ses connaissances dans le domaine des matériaux amorphes et acquis une compétence expérimentale dans le domaine des hautes pressions et de la spectroscopie vibrationnelle. Le travail proposé pourra se prolonger en thèse pour un(e) étudiant(e) motivé(e).

 

 

  • Sujet de stage M2 2016/2017: "Lien entre la structure et les pertes mécaniques des films en vue d'optimiser la détection des ondes gravitationnelles" 

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Résumé du travail demandé :

Pour la première fois, des ondes gravitationnelles ont été détectées par les deux interféromètres américains (collaboration LIGO-VIRGO) il y a environ un an. D’ici 4 ans, de nouveaux miroirs devront être synthétisés (les dépôts seront assurés par le Laboratoire des Matériaux Avancés - LMA) et le challenge scientifique est de trouver les matériaux optimaux qui composent les couches d’indices différents. Ces miroirs de Bragg sont constitués de plusieurs films minces amorphes déposés par pulvérisation par faisceau d’ions sur un substrat de silice fondue. Le facteur limitant majoritairement la détection des ondes gravitationnelles est le bruit thermique généré dans les couches minces. Comme montré par le théorème de Fluctuation-Dissipation, le bruit thermique est directement corrélé aux pertes mécaniques. La silice fondue est réputée pour présenter à température ambiante, des pertes 103 fois plus basses que la silice déposée [1] mais autour de 50 Kelvins, les pertes sont du même ordre de grandeur. A ce jour la raison de ce très bas bruit thermique à température ambiante reste incomprise. Son interprétation serait fondamentale car ce bruit pourrait être réduit en ajustant la composition, les traitements thermiques ou les conditions d’élaboration. L’enjeu serait vraiment considérable pour construire les miroirs du futur et permettre d’optimiser la détection des OG.

L’objectif général de la collaboration entre l’équipe SOPRANO-ILM et le LMA est donc de mieux comprendre les liens qui résident entre la structure des verres de silice et les pertes mécaniques. Le premier objectif de ce stage est d’étudier le spectre Raman de la silice sur un domaine de température allant de la température ambiante à 80 Kelvins. En effet, Wiedersich et al [3] ont montré l’existence d’une signature des relaxations qui sont à l’origine du bruit thermique et des pertes mécaniques. Pour ce faire, différentes silices (fondues et déposées) seront étudiées par spectroscopie vibrationnelle (Raman et Brillouin) dans l’équipe SOPRANO. Les impacts de la concentration en OH et de l’histoire thermique des différents échantillons seront explorés. Les mesures de pertes mécaniques seront effectuées au LMA.

Récemment, de nouveaux résultats ont montré que la température de dépôt a un grand impact sur les pertes mécaniques du silicium amorphe [4]. Il est donc prévu d’explorer les effets des conditions expérimentales lors du dépôt par faisceau d’ions. Par ailleurs, l’effet de la relaxation en température des films sera étudié. Les résultats de cette étude seront essentiels pour comprendre le rôle de la température de dépôt.

 

[1] K. A. Topp and D. G. Cahill, Zeitschrift fr Physik B 101, 235 (1996)

[2] J. Wiedersich et al., Physical Review B, 64, 064207 (2001)

[3] D. R. Queen et al., Journal of Non-Crystalline Solids 426, 19–24 (2015)

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