Propriétés structurales et caractérisation des cristaux de KY3F10

Technique d’élaboration des monocristaux KY3F10

Les monocristaux de KY3F10 dopés Er3+ (1% molaire) ont été élaborés par la technique de tirage Czochralski. L’élaboration des cristaux est amorcée par une solidification progressive d’une masse liquide à partir d’un germe. 

Technique de Czochralski

 La méthode de tirage Czochralski a été inventée par Jan Czochralski en 1916 et elle est aujourd’hui très employée dans l’industrie pour la synthèse du silicium. Cette méthode permet d’élaborer des cristaux de grandes dimensions et de très bonne qualité optique. Cette méthode est en général privilégiée pour la synthèse de matériaux à fusion congruente pour des applications optiques.

Principe de laméthode

 Un creuset en platine, iridium ou autre, contenant le mélange est placé dans un ensemble réfractaire pour limiter les pertes de chaleur et donc les gradients thermiques. Le creuset est chauffé par induction pour fondre la charge. Une fois la charge est fondue dans le creuset, on met un germe cristallin au bout d’une tige, par exemple d’alumine, reliée à un système de pesée combinant des moteurs de rotation et de translation, le tout placé au-dessus du creuset. En approchant lentement le germe cristallin au contact du bain, celui-ci « s’accroche » par capillarité au germe. Ce sont des méthodes à croissance rapide, de l’ordre du mm/h à plusieurs cm/h selon le composé considéré. En effet, un programme informatique de régulation du procédé requiert, pour fonctionner, la connaissance des paramètres géométriques et des paramètres de tirage. Les paramètres géométriques permettent de définir la forme du cristal tandis que les paramètres de tirage permettent de déterminer la vitesse linéaire de cristallisation. 

Avantages de la méthode

 La technique de Czochralski présente l’avantage d’une croissance en surface libre qui accommode les variations de volume liées à la solidification. Des cristaux de Chapitre 2 : Propriétés structurales et caractérisation des cristaux de KY3F10 18 grandes dimensions et de très bonne qualité optique peuvent être obtenus. De plus la composition chimique est contrôlable. Cependant, une pollution éventuelle des cristaux par le creuset est possible. Figure 2-1 : Dispositif de tirage de Czochralski des monocristaux KY3F10. Les monocristaux tirés sont généralement exemptes de fractures et parfaitement transparentes. Pour le besoin de caractérisation spectroscopique Chapitre 2 : Propriétés structurales et caractérisation des cristaux de KY3F10 19 (absorption, fluorescence et déclin de fluorescence) des tranches de ≈ 3 mm d’épaisseur sont coupées du cristal tiré. 2-2 Structure du composéKY3F10 Le composé KY3F10 est un composé à fusion congruente, sa température de fusion est de 1000 ± 15 °C [9]. Il a une structure cubique face centrée de type fluorine et de paramètre de maille a= 11.542 ± 0.004 °A. C’est une structure qui appartient au groupe d’espace Fm3m possédant 8 motifs (ou unités formulaires) par maille. Les atomes occupent les positions suivantes : Ion Position Symétrie du site Position de l’ion Y 24e C4v X = 0.2401 K 8c Td – F(1) 48i C2v X = 0.3353 F(2) 32f C2v X = 0.1081 Il est à constater qu’il a un seul type de site pour la terre rare qui va substituer à l’yttrium. Le site est de symétrie C4v. Y K F1 F2 Figure 2-2 : Structure du composé KY3F10. Plusieurs auteurs ont établi des diagrammes de phase. Un diagramme de phase du système binaire KF-YF3 a été établi par B. Chai [10]. 

Propriétés physiques du composé KY3F10 

Le matériau KY3F10 possède des propriétés optiques et thermomécaniques remarquable. L’indice de réfraction pour λ = 1,6 µm est n = 1,4769. L’énergie de phonon pour le composé KY3F10 a été estimée autour de 420 cm-1 . Cette valeur, étant considérée comme faible par rapport à celle des oxydes (600 – 1100 cm-1 ), Présente l’avantage d’obtenir plus de transitions radiatives et limite les transitions non – radiatives par désexcitation multiphonons. Le tableau 2.1 résume les propriétés structurales et physiques du cristal KY3F10. 

Montages pour mesures spectroscopiques

Mesure de l’absorption

Les spectres d’absorption des monocristaux KY3F10 dopés Er3+ (1% molaire) sont réalisés à l’aide d’un spectrophotomètre Perkin Elmer lambda 9, entièrement automatisé (figure 2-2). C’est un spectrophotomètre à double faisceau équipé de deux réseaux : un réseau à 1440 t/mn pour le domaine spectral UV-VIS et un deuxième réseau à 340 t/mn pour l’infrarouge. Il couvre le domaine de longueur d’onde s’étendant de 185 à 3200 nm. Les sources lumineuses utilisées sont une lampe halogène pour le domaine VIS-IR et une lampe au deutérium pour le domaine UV. La lumière issue de la source est sélectionnée en longueur d’onde par un monochromateur. Le faisceau délivré par le monochromateur est partagé en deux à l’aide d’un chopper mécanique : un faisceau de référence qui n’a pas envoyé sur l’échantillon et un faisceau de mesure qui traverse l’échantillon. Le principe du spectrophotomètre est donc basé sur la comparaison du ces deux faisceaux reçus sur le détecteur. Il utilise un photomultiplicateur pour le domaine spectral UV-VIS et une cellule PbS sensible dans l’IR. Une chaine électronique associée au détecteur permet d’analyser dans le temps le signal reçu et de le traiter numériquement pour obtenir la densité optique en fonction de la longueur d’onde de la lumière incidente (DO = f(λ)). Un système d’acquisition de données est relié au spectromètre. Les spectres d’absorption sont enregistrés et traités par un logiciel graphique ORIGIN.