Étude des propriétés physiques d'alliages de nitrure d'aluminium et de nitrures de terres rares

Le développement de nouveaux matériaux piézoélectriques (PÉ) pour les applications de microsystèmes électromécaniques (MSEM) a mené à la découverte des alliages substitutifs en phase wurtzite de nitrure d'aluminium et de nitrure de scandium (w-ScxAl1−xN) de forte activité PÉ. Les alliages w-ScxAl1−xN sont des exemples d'alliage en phase wurtzite de nitrure d'aluminium et de nitrure de terre rare (w-TRxAl1−xN). La recherche scientifique sur les matériaux hautement PÉ compatibles avec les procédés MSEM est encore d'actualité. Dans une perspective d'ingénierie des matériaux, cette thèse établie l'impact de la configuration du sous-réseau métallique et d'une contrainte résiduelle biaxiale sur les propriétés PÉ, élastiques et diélectriques d'alliages w-ScxAl1−xN. De plus, ces mêmes propriétés sont rapportées pour d'autres alliages w-TRxAl1−xN où TR sont l'yttrium et sept lanthanides. La modélisation numérique basée sur la théorie de la fonctionnelle de densité et son extension en perturbation est privilégiée dans les travaux. Les alliages sont représentés avec des supermailles de structures quasi aléatoires spéciales. De plus, les éléments de lantha-nides sont représentés en incluant la couche électronique 4f de leur ion +3 dans le cœur des pseudopotentiels. Les calculs sont effectués avec le logiciel ABINIT. Une dépendance significative des coefficients de rigidité cE33 et PÉ e33 sur la configuration du sous-réseau métallique du w-Sc0.5Al0.5N est retrouvée et le coefficient PÉ d33,f est estimé varier entre 9.3 et 41.4 pm V−1 pour les alliages modélisés. L'analyse des résultats démontre que ceci est consistant avec le modèle établi du comportement PÉ des alliages w-ScxAl1−xN. Il est démontré qu'une contrainte biaxiale en tension améliore les facteurs de mérite e31,f d33,f et k233,f d'alliages w-ScxAl1−xN d'une façon analogue à l'augmentation de la fraction x de nitrure de scandium. La modification du caractère hexagonal de l'alliage par la contrainte est suggérée. L'étude comparative des propriétés d'alliages w-TRxAl1−xN mène à la conclusion que ces matériaux possèdent des propriétés PÉ, élastiques et diélectriques similaires. L'impact négatif de la taille importante des ions TR +3 sur le coefficient PÉ e33 est aussi suggéré. Le calcul des facteurs de mérite d33,f et k233,f démontre que de nombreux w-TRxAl1−xN sont avantageux par rapport au nitrure d'aluminium pour les microdispositifs PÉ. Ces travaux améliorent la compréhension des propriétés physiques des alliages w-TRxAl1−xN. De plus, ils mettent en évidence la possibilité d'optimiser la performance des w-ScxAl1−xN avec les variables de contrainte biaxiale et de configuration du sous-réseau métallique. Finalement, des alternatives aux alliages w-ScxAl1−xN pour les applications de microdispositifs PÉ, comme les w-YbxAl1−xN, sont suggérées.