Mesure de la conductivité thermique du lingot polycristallin de ZGSe

La deuxième propriété à avoir été analysée est la conductivité thermique du composé qui influe fortement la résistance au flux laser du composé. En effet, à cause des fortes puissances laser utilisées pour les applications décrites dans le premier chapitre de la Partie A du manuscrit, le composé peut subir un fort échauffement localisé. Si le composé n’est pas capable d’évacuer cette chaleur générée, la température peut causer l’apparition de lentilles thermique voire d’endommagement. Ainsi, comme nous l’avons décrit dans la sous-partie 2.1.3 de la Partie A, plus un composé possède une conductivité thermique élevée, plus la chaleur générée sous l’effet du laser peut être évacuée, limitant les effets indésirables jusqu’à des puissances laser élevées.

La mesure a été réalisée grâce à la méthode MTPS (« Modified Transient Plane Source ») [216]

décrite dans l’encadré ci-dessous, en utilisant un appareil C-therm TCI TH130041. Nous avons caractérisé l’échantillon présenté en Figure 116 en utilisant de l’eau comme agent de contact et en travaillant à température ambiante. La conductivité thermique de cet échantillon polycristallin ZGSe a été évaluée à 2.9 W.m^-1.K^-1.

140 Cette valeur doit être comparée à d’autres cristaux utilisés pour les mêmes applications. Les cristaux les plus conducteurs présentent une conductivité thermique supérieure à 10 W.m^-1.K^-1 (18 W.m^-1.K^-1 pour ZnGeP₂ [182], 13 W.m^-1.K^-1 pour CdSiP₂ [3])_. Cependant, ces cristaux présentent une gamme de longueurs d’onde limitée ne dépassant pas les 9 µm pour les utilisations en optique non-linéaire [127]. En comparant avec d’autres composés au sélénium (AgGaSe₂, BaGa₄Se₇ et LiInSe₂, résumés dans le Tableau 23), on constate que seuls les composés au lithium possèdent une conductivité thermique plus élevée. Cependant, ces composés au lithium présentent une gamme de transparence plus réduite que celle du ZGSe (décrit dans le Tableau 22). Ainsi, en termes de gamme de longueurs d’onde, ZGSe semble être le cristal le plus intéressant avec une bonne conductivité thermique (pour un séléniure), tandis que le LiInSe₂ sera plus intéressant pour des applications à longueur d’onde un peu plus faible. Une analyse plus détaillée des propriétés thermomécaniques est réalisée dans la sous-partie suivante 1.3.3 où nous discuterons du paramètre de résistance au choc thermique (dépendant de la conductivité thermique).

Méthodologie de la mesure de conductivité thermique :

La méthode MTPS consiste à envoyer une onde thermique sur l’échantillon pour mesurer la conductivité thermique [216]. En mesurant l’élévation de température et en connaissant la conductivité thermique du porte échantillon en contact avec l’échantillon à caractériser, il est possible de déterminer la conductivité thermique de l’échantillon.

Le porte échantillon consiste en un support cylindrique (visible en Figure 118-A) où le capteur de température est inclus en son centre (capteur montré en Figure 118-B). Ce capteur est aussi le point émetteur du choc électrique modulé chargé d’élever faiblement la température. Afin d’assurer un contact thermique efficace, un agent de contact (eau, glycol…) est utilisé entre l’échantillon et le porte échantillon.

De plus, pour améliorer le contact entre les deux pièces en présence, un poids (500g dans notre cas) est posé sur l’échantillon. Cette méthode possède ainsi les avantages d’être non destructif (l’échantillon à caractériser ne voit qu’une légère élévation de température de moins de 1°C) et rapide (une mesure dure moins de 10 s). Cependant, l’échantillon doit être de dimension suffisante pour couvrir entièrement le capteur (surface disque de 2 cm²) et suffisamment épais (épaisseur de 5 mm minimum) pour que l’onde thermique soit totalement absorbée par l’échantillon. L’appareil utilisé est un C-therm TCI TH130041, capable de mesurer une gamme importante de conductivités thermiques (allant de 0,1 à 120 W.m^-1.K^-1) avec une erreur de 5%. Des échantillons témoins connus sont utilisés pour valider le système de mesure.

Figure 118: Représentation du porte-échantillon (A) avec le positionnement du détecteur de température (chargé aussi d’émettre le choc électrique) (B)

A)

B) échantillon

Porte échantillon

141 Tableau 23: Comparaison des conductivités thermiques pour différents composés au sélénium et ZnGeP2

(*=ce travail ; ** autre cristal de l’Onera)

Composé ZGSe

1.3.3. Coefficient d’expansion thermique (CET) et résistance au choc thermique du lingot polycristallin de ZGSe

La troisième propriété à avoir été analysée est le coefficient d’expansion thermique afin de pouvoir évaluer le paramètre de résistance au choc thermique qui informe de la tenue du composé à une élévation brutale de la température, permettant d’évaluer rapidement la capacité du cristal à résister à un échauffement.

Nous rappelons que le composé est de structure quadratique. Ainsi, il est possible que la dilatation suivant l’axe c de la maille cristalline soit différente de la dilatation suivant les axes a ou b. Comme l’échantillon utilisé était polycristallin, nous n’avons pas pu mesurer les coefficients d’expansion selon les différents axes. Nous avons ainsi mesuré le coefficient d’expansion moyen du ZGSe sur un échantillon de 2 mm d’épaisseur sur une gamme de températures allant de la température ambiante (25°C) à 800°C à l’aide d’un Setaram Setsys Evolution (description de l’appareil dans l’encadré ci-dessous). Le test a été réalisé sous atmosphère d’argon pour éviter l’oxydation du composé.

L’évolution du coefficient d’expansion linéique tangent est représentée par une approximation linéaire (équation 4.4) en Figure 119.

Figure 119: Evolution du coefficient de dilatation linéique moyen du ZGSe polycristallin avec la température

α (10-6 K-1 )

142 Le coefficient d’expansion moyen a ainsi été évalué à 8,1.10^-6 K^-1 à température ambiante, qui est une valeur assez faible – donc meilleure – en comparaison avec d’autres cristaux pour ce domaine d’application (Tableau 24).

A partir de ce paramètre et de la conductivité thermique il nous est possible d’approximer ce que nous désignerons le paramètre de Résistance au Choc Thermique (paramètre RCT). En effet, il est possible de définir un paramètre caractérisant la résistance du matériau à l’amorçage d’une fissure à la suite d’un choc thermique désigné 𝑅_𝑇 [217]. L’expression de ce paramètre est :

𝑅_𝑇 =𝐾_𝑐. 𝜅. 𝑓_(𝜈)

𝐸. 𝛼 (1.4)

Description de l’appareil de mesure de dilatométrie :

L’appareil utilisé dans ces travaux est un Setaram Setsys Evolution. Cet appareil est composé d’un tube cylindrique chauffant, d’une sonde et d’un capteur de position (Figure 120). L’échantillon à caractériser est placé au sein du four (tube chauffant) et est mis en contact avec la sonde. L’ensemble sonde-capteur permet de mesurer l’évolution de l’épaisseur de l’échantillon soumis à un changement de température. A partir de cette variation de longueur, il est ainsi possible d’évaluer la valeur du coefficient de dilatation thermique de l’échantillon, grâce à la formule (où 𝛼(𝑇) est le coefficient d’expansion linéique tangent, 𝑙_(𝑇) la longueur à la température T):

𝛼_(𝑇)= 1 𝑙_(𝑇)(𝑑𝑙

𝑑𝑇)

𝑇 (1.3)

Figure 120: A) Schéma de principe de fonctionnement d'un appareil de mesure dilatométrique.

B) Photographie de l’appareil

Il est à noter que cette mesure peut déterminer les coefficients d’expansion thermique dans les axes cristallographiques (𝛼_{𝑎 (𝑇)}, 𝛼_{𝑏 (𝑇)} et 𝛼_{𝑐 (𝑇)}) si l’échantillon utilisé est un monocristal orienté. Dans le cas d’un échantillon polycristallin (ce qui est le cas pour ces travaux), il n’est possible que de déterminer le coefficient moyen de dilatation. De plus, afin de prévenir des potentielles oxydations d’échantillon causées par la montée en température et la réaction avec l’oxygène de l’air, ou d’autres composants, l’appareil peut être soumis à un balayage d’atmosphère inerte (argon, azote).

143 Avec 𝐾_𝑐 la ténacité, 𝜅 la conductivité thermique de l’échantillon, 𝑓_(𝜈) une fonction du coefficient de Poisson dont l’expression dépend de la forme de la géométrie de l’échantillon, 𝐸 le module d’Young du matériau et 𝛼 le coefficient d’expansion thermique. La valeur de ce paramètre permet d’évaluer la résistance du matériau à un choc thermique, qui peut être causé par l’utilisation d’une forte puissance laser (les cristaux étudiés dans cette étude ont pour vocation à être utilisés dans des appareillages optiques de fortes puissances, comme il a été décrit dans la sous-partie 1.1 de la Partie A). Ainsi, plus la valeur de ce paramètre est élevée, meilleure est la tenue au flux du composé étudié. Ce paramètre n’est cependant pas utilisable tel quel du fait du manque de données de notre composé. Romain Gaumé [138] a montré qu’il était possible de simplifier ce paramètre 𝑅_𝑇 [217] pour des monocristaux par le paramètre RCT :

𝑅𝐶𝑇 ≈𝜅

𝛼 (1.5)

Ce paramètre permet de comparer plus simplement les cristaux en n’utilisant que deux paramètres. Il est à noter que la valeur absolue de ce paramètre RCT n’a pas de grande signification et ne peut être utilisé que de manière comparative : un cristal avec un paramètre RCT plus élevé résistera en principe mieux à un choc thermique. Le paramètre RCT du ZGSe a été évalué à 0.28 MW.m^-1. Cette valeur est comparée avec les valeurs des paramètres RCT d’autres cristaux pour le domaine d’application ciblé dans le Tableau 24. On constate, en termes de composés au sélénium, que seul le LiInSe2 présente un paramètre RCT plus élevé que le ZGSe (qui est ainsi plus résistant au choc thermique que les cristaux d’AgGaSe2 et de BaGa4Se7). Le ZnGeP2, connu pour sa grande résistance à la puissance laser (et donc au choc thermique causé par le laser de pompe), possède la plus grande valeur au sein de notre tableau. Le cristal de LiInSe₂ (pour les cristaux à base de sélénium) est ainsi plus intéressant que le ZGSe quant à la tenue au choc thermique.

Tableau 24: Comparaison du coefficient d'expansion et du paramètre de résistance au choc thermique avec d'autres cristaux pour l'optique non linéaire (* = ce travail).

Composé ZGSe

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