Hydrothermal growth of isotypes of α-quartz single crystals, study of the physical properties and research of new solid solutions with oxides of p block (Ge, Sn) and d block (Mn, V, Ti)
Croissance hydrothermale de monocristaux isotypes du quartz-α, étude des propriétés physiques et recherche de nouvelles solutions solides avec des oxydes du bloc p (Ge, Sn) et du bloc d (Mn, V, Ti)
Résumé
In the field of piezoelectric crystals, quartz is one of the widely used materials in industry for electronic
device applications as oscillators for the time-frequency domain. α-quartz SiO2 shows a decrease of its
piezoelectric properties above 250°C, an α-quartz to β-quartz phase transition at 573°C and a low
electromechanical coupling factor of about 8%. Although its nonlinear optics properties are well known, its low
χ(2) coefficient prevent it to be used in frequency doubling devices. The goal of this study is to increase the
structural distortion and the polarizability of this material by substituting part of the silicon atoms with larger
atoms such as germanium or other elements. In order to grow centimeter-size single crystals we use
hydrothermal methods in high-pressure autoclaves. Crystal growth of mixed α-quartz Si(1-x)GexO2 crystals was
successfully performed on pure α-quartz SiO2 (001) seeds. Large crystals with different germanium content were
obtained and analyzed by infrared spectroscopy and EPMA. Piezoelectric and nonlinear optical properties were
measured on these crystals, which exhibit a improved physical properties. Then, crystal growths with larger
elements than germanium were performed in order to further improve their physical properties. Substitution by
the following elements: Mn, V, Ti and Sn were investigated.
Dans le domaine des cristaux piézoélectriques, le quartz est l’un des plus employés dans l’industrie
électroniques pour des applications comme oscillateurs ou dans le domaine temps-fréquence. Le quartz-α SiO2
montre une décroissance de ses propriétés au delà de 250°C, une transition de phase α-β à 573°C et un faible
coefficient de couplage électromécanique k autour de 8%. Bien que ses propriétés d’optique non-linéaire soient
bien connues, son faible coefficient χ(2) ne lui permet pas d’être utilisé dans des dispositifs doubleurs de
fréquence. L’objectif de cette étude est d’augmenter la distorsion structurale et la polarisabilité de ce matériau en
substituant une partie des atomes de silicium par des atomes plus volumineux tels que le germanium ou d’autres
éléments. Afin de faire croitre des cristaux de taille centimétrique, la technique hydrothermale a été employée
dans des autoclaves hautes pressions. Des cristaux de quartz-α de type Si(1-x)GexO2 ont été réalisés sur des
germes de quartz-α SiO2 (001). Des cristaux volumineux avec différentes teneurs en germanium ont été obtenus
puis analysés par spectroscopie infrarouge et par EPMA. Les propriétés piézoélectriques et d’optique nonlinéaire
ont été mesurées sur ces cristaux montrant une augmentation des propriétés physiques. Puis des
croissances cristallines avec des atomes plus volumineux que le germanium ont été réalisées afin d’en augmenter
les propriétés physiques. Des substitutions par les éléments suivants ont été entreprises : Mn, V, Ti, et Sn
Loading...