Thin films of Ta₂O₅ et (NaₓK₁₋ₓ)₂Ta₄O₁₁ (x=0.93) : structures and properties
Films minces de Ta₂O₅ et (NaₓK₁₋ₓ)₂Ta₄O₁₁ (x=0.93) : structures et propriétés
Résumé
Ta₂O₅ and (NaₓK₁₋ₓ)₂Ta₄O₁₁ type oxides are known to exhibit properties of optic, high K dielectric, photocatalysis for H2 production from H2O and piezoelecticity. In this work, thin films of these compounds were prepared by a chemical process. From X-ray diffraction and transmission electron microscopy (TEM) results, a transformation mechanism of Ta₂O₅ into (NaₓK₁₋ₓ)₂Ta₄O₁₁ is proposed. This mechanism involves Ta5+ vacancies substitued by H+ cations.A new process confirming this mechanism is to increase the concentration of Ta5+ vacancies substitued by H+ cations, gathered in structural defects which could improved a protonic conductivity.H+ cations would be in the form of bridging hydroxyl groups Ta-OH-Ta, stable at high temperature. Hydrogen analysis by Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) confirms also this mechanism.For the piezoelectric property, different changes of space-groups R3c to R3 and P1, linked to huge strains were observed by TEM on the (NaₓK₁₋ₓ)₂Ta₄O₁₁ phase. Such changes result of electrical fields opposed to the crossing of the electron beam, giving rise to electro-mechanical effects of piezoelectricity. Large strains effects were confirmed by Laser Doppler Vibrometry measurements on (NaₓK₁₋ₓ)₂Ta₄O₁₁ layers of different texture subsmitted to alternative electrical fields.
Les oxydes Ta₂O₅ et du type (NaₓK₁₋ₓ)₂Ta₄O₁₁ sont connus pour présenter des propriétés d'optique, de diélectrique high K, de conductivité H+, de photocatalyse de formation de H2 à partir de H2O et de piézoélectricité.Dans cette thèse, des films minces de ces composés ont été préparés par voie chimique. A partir de résultats de diffraction des rayons X et de microscopie électronique à transmission (MET), un mécanisme de transformation de Ta₂O₅ en (NaₓK₁₋ₓ)₂Ta₄O₁₁ est proposé.Ce dernier fait intervenir des lacunes de Ta5+ substituées par des protons H+ dans Ta2O5. Une confirmation de ce mécanisme est apporté par la mise au point d'un procédé permettant d'augmenter la concentration en lacunes de Ta5+ substituées par des H+, sous forme de défauts structuraux susceptibles d'améliorer une conductivité H+.Les cations H+ seraient sous forme de groupes hydroxyles pontés Ta-OH-Ta, stables à haute température. L'analyse d'éléments H en spectrométrie de masse des ions secondaires à temps de vol confirme également ce mécanisme. Vis-à-vis de la piézoélectricité, différents changements de groupe d'espace de R3c à R3 et P1 liés à de très grandes déformations sont observés en MET sur la phase (NaₓK₁₋ₓ)₂Ta₄O₁₁.Ces changements résultent de champs électriques qui s'opposent en partie à la traversée du faisceau d'électrons et provoquent des effets électro-mécaniques propres à la piézoélectricité. Ces taux extraordinaires de déformations sont confirmés par des mesures en vibrométrie optique sous champ électrique alternatif, sur des couches (NaₓK₁₋ₓ)₂Ta₄O₁₁ de différentes textures.
Origine : Version validée par le jury (STAR)