Ab-initio study of the structure of tellurium-oxide based glasses : a step forward in establishing the structure-properties relationships
Etude ab-initio de la structure des verres à base d'oxyde de tellure : un pas vers l'etablissement des relations structure-proprietes
Résumé
TeO2 glasses exhibit third order non-linear optical properties 50 times higher than conventional silicate glasses, making them promising candidates for frequency conversion mechanism, optical switches and other applications. The existence of 5s2 lone pair on Te atom in the glassy network is at the origin of these outstanding properties. Despite the fact that several studies have investigated the structure of TeO2 glass, the short and medium range orders in this material remain a matter of debate. In particular, the effect of adding a modifier oxide into the glassy TeO2 system has show a strong effect on its optical, mechanical and chemical properties. Yet, a comprehensive study on the atomic scale structure evolution in these glasses and its correlation to the material properties is still lacking. In this thesis, we resort to first-principles molecular dynamics techniques to produce quantitative pure TeO2, binary Tl2O-TeO2 and ternary TiO2-Tl2O-TeO2 amorphous models featuring a good agreement with the experimental measurements. These models are then used to study the network topology of TeO2-based systems as a function of the modifier concentration with a particular focus on the short-range order correlated to the electronic properties of the material. Furthermore, we study the vibrational and non-linear optical properties of TeO2-based glasses in order to improve our understanding of the structure-properties relationship
Les verres de TeO2 présentent des propriétés optiques non linéaires de troisième ordre 50 fois supérieures à celles des verres de silicate classiques, ce qui en fait des candidats prometteurs pour les systèmes de conversion de fréquence, les commutateurs optiques et d'autres applications. L'existence d'une paire libre 5s2 sur l'atome de Te dans le réseau vitreux est à l'origine de ces propriétés exceptionnelles. Bien que plusieurs études portent sur la structure du verre TeO2, l'ordre à courtes et moyennes distances dans ce matériau reste un sujet de débat. En particulier, l'effet de l'ajout d'un oxyde modificateur dans le système vitreux TeO2 a montré un fort effet sur ses propriétés optiques, mécaniques et chimiques. Cependant, une étude complète sur l'évolution de la structure à l'échelle atomique dans ces verres en corrélation avec les propriétés du matériau fait toujours défaut. Dans cette thèse, nous avons recours aux techniques de dynamique moléculaire par premiers principes pour produire des modèles amorphes de TeO2 pur, de Tl2O-TeO2 binaire et de TiO2-Tl2O-TeO2 ternaire présentant un bon accord avec les mesures expérimentales. Ces modèles sont ensuite utilisés pour étudier la topologie du réseau des systèmes à base de TeO2 en fonction de la concentration d'oxyde modificateur, avec une attention particulière sur l'ordre à courte portée corrélé aux propriétés électroniques du matériau. En outre, nous étudions les propriétés vibrationnelles et optiques non linéaires des verres à base de TeO2 afin d'améliorer notre compréhension de la relation structure-propriétés.
Origine : Version validée par le jury (STAR)