Soutenance mémoire
L’étude des supraconducteurs et de la supraconductivité a pris un nouvel essor avec la découverte des supraconducteurs dits à haute température critique par Bednorz & Müller [1] en 1986 avec le composé La2-xBaxCu2O4-δ (Tc = 35 K) fabriqué à Caen par Michel & Raveau [2]. Dès 1987 sont apparus des composés dont la température critique se trouve au dessus de la température d’ébullition de l’azote liquide (77 K) permettant d’envisager des applications, grâce à une cryogénie simplifiée.
Rappels de supraconductivité
Le phénomène de supraconductivité a été découvert en 1911 par Kammerlingh Onnes [1] qui remarqua que le mercure avait une résistivité électrique nulle en dessous d’une température de 4.2 K.
L’état supraconducteur est un état condensé de la matière. En effet, la chaleur spécifique augmente lors du passage état normal-état supraconducteur, ce qui indique que l’entropie (i.e. le désordre) décroît dans l’état supraconducteur : l’état supraconducteur est donc un état mieux ordonné que l’état normal. Cet état présente deux propriétés particulières : une résistivité nulle et un diamagnétisme parfait (appelé aussi « effet Meissner » [2]). C’est cette faculté d’écranter le champ magnétique, que le champ magnétique ait été appliqué avant ou après que le matériau soit dans l’état supraconducteur, qui différencie un supraconducteur d’un conducteur parfait.
L’état supraconducteur n’apparaît qu’en dessous d’une certaine température appelée température critique (Tc). L’état supraconducteur disparaît donc au dessus de cette température critique, mais aussi à partir d’une valeur critique (Hc) d’un champ magnétique appliqué ou d’une valeur critique (Jc) d’une densité de courant traversant le matériau L’état supraconducteur n’apparaît qu’en dessous d’une certaine température appelée température critique (Tc). L’état supraconducteur disparaît donc au dessus de cette température critique, mais aussi à partir d’une valeur critique (Hc) d’un champ magnétique appliqué ou d’une valeur critique (Jc) d’une densité de courant traversant le matériau supraconducteur. Ces trois paramètres sont interdépendants et permettent de délimiter le domaine d’existence de l’état supraconducteur dans un repère T, H et Jc .
Ferroélasticité
Un composé est dit ferroélastique s’il présente au moins 2 états d’orientation, différants par leur déformation spontanée (ε(s)), et s’il est possible de passer de l’un à l’autre de ces états en appliquant une contrainte mécanique [19]. Le composé YBa2Cu3O7-δ est ferroélastique et appartient au groupe P4/mmm Fmmm(2) de Aizu [20] et ne présente que 2 types de domaines qui correspondent aux domaines maclés décrits précédemment [21]. Ainsi, il apparaît donc théoriquement possible d’obtenir des échantillons d’YBa2Cu3O7-δ non maclés en leur appliquant une contrainte mécanique.
Diagramme de phases et croissance cristalline
Un diagramme de phase ternaire d’YBa2Cu3O7-δ a été établi par Roth et al. [22] dans le système Y2O3-BaO-CuO sous air. Le diagramme pseudo-binaire plus couramment utilisé pour l’étude d’YBa2Cu3O7-δ correspond à une coupe de ce diagramme ternaire [23] suivant l’axe YBa2Cu3O7-δ /Y2BaCuO5.
YBa2Cu3O7-δ → Y2BaCuO5 + Liquide (Ba, Cu) (1)
Puis que la phase Y2BaCuO5 se décompose aussi de façon incongruente à 1270°C suivant la réaction :
Y2BaCuO5 → Y2O3 + Liquide (Ba, Cu) (2)
Relations Propriétés-Microstructure
Le piégeage intrinsèque est dû à la modulation du paramètre d’ordre le long de l’axe c liée à l’alternance de plans supraconducteurs CuO avec des plans faiblement supraconducteurs (couches yttrium et baryum) [6-8]. Ainsi lorsque les vortex sont parallèles aux plans CuO, ils sont piégés dans les couches faiblement supraconductrices, ce qui se traduit expérimentalement par un pic de courant lorsque les lignes de champ sont exactement parallèles à ces couches.
Dans le cas du piégeage extrinsèque par des défauts, il est généralement admis que la taille du défaut doit être de l’ordre de ξ pour que le piégeage soit le plus efficace. En effet, si la taille du défaut est inférieure à ξ, le volume de piégeage n’est pas optimal. Alors que si la taille du défaut est supérieure à ξ, le vortex n’est piégé qu’à l’interface entre la zone normale et la zone supraconductrice puisque tout déplacement à l’intérieur de la zone normale n’entraîne aucune variation d’énergie.
Les éventuelles influences sur les propriétés supraconductrices des nombreux défauts présents dans les échantillons d’YBa2Cu3O7-δ ont été étudiées par de multiples auteurs.
Défauts ponctuels
Les défauts ponctuels sont essentiellement représentés dans le composé YBa2Cu3O7-δ par des impuretés ou des atomes manquants. Du fait de sa non-stœchiométrie en oxygène, les lacunes les plus fréquemment rencontrées sont les lacunes d’oxygène. Les lacunes d’oxygène [9,42] aussi bien que les atomes d’impuretés [43] sont tenus pour responsables de l’apparition de pics dans les densités de courant sous forts champs magnétiques, observés dans certains échantillons et appelés communément « peak effects » ou « fishtail effects » ou encore « effets papillon » .
Dislocations
Les dislocations sont des défauts linéaires associés aux champs de contraintes présents dans les matériaux. Les échantillons d’YBa2Cu3O7-δ présentent des densités de dislocations allant de 10⁷ cm-2 dans des matériaux polycristallins à 10¹⁰ cm-2 dans des matériaux synthétisés par fusion de zone .
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Table des matières
Introduction
I. Généralités
I.1. Rappels de supraconductivité
I.1.1. Supraconducteurs de type I
I.1.2. Supraconducteurs de type II
I.1.3. Modèle de Bean étendu
I.2. Structure et propriétés des composés (RE)Ba2Cu3O7 (RE = Y, terre rare)
I.2.1. Structure cristallographique
I.2.2. Ferrroélasticité
I.2.3. Diagramme de phases et croissance cristalline
I.2.4. Propriétés supraconductrices
I.3. Relations Propriétés-Microstructure
I.4. Synthèse des échantillons
I.4.1. Obtention du germe
I.4.2. Mélange des précurseurs et pastillage
I.4.3. Texturation
I.4.4. Oxygénation
I.4.5. Caractéristiques d’un échantillon obtenu par TSMTG
I.5. Problématique
II. Etude d’un paramètre microstructural particulier : les macles
II.1. Techniques de caractérisation
II.1.1. Diffraction des Rayons X
II.1.2. Microscopie optique en lumière polarisée
II.1.3. Microscopie électronique en transmission
II.1.4. Microscopie électronique à balayage – Electrons rétrodiffusés
II.1.5. Microscopie électronique à balayage – Electrons secondaires
II.2. Démaclage
II.2.1. Préparation des échantillons
II.2.2. Procédure expérimentale
II.2.3. Résultats
II.3. Effets de la pression et de la température sur Jc
II.4. Conclusion
III. Influence de dopants sur la microstructure et les propriétés
III.1. Définition du cycle de texturation
III.2. Dopage à l’oxyde de néodyme (Nd2O3)
III.2.1. Microstructures
III.2.2. Propriétés supraconductrices
III.2.3. Conclusion
III.3. Ajouts de 0.5 % wt d’oxydes de terres rares
III.3.1. Microstructures
III.3.2. Propriétés supraconductrices
III.3.3. Conclusion
III.4. Dopage au calcium
III.4.1. Microstructures
III.4.2. Propriétés supraconductrices
III.4.3. Conclusion
III.5. Dopage au bismuth
III.5.1. Microstructures
III.5.2. Propriétés supraconductrices
III.5.3. Synthèse sans palier de préfrittage
III.5.4. Conclusion
III.6. Dopage au fluor
III.6.1. Microstructures
III.6.2. Propriétés supraconductrices
III.6.3. Conclusion
III.7. Conclusion
IV. Influence du temps et du milieu sur les microstructures et les propriétés : cas de l’eau
IV.1. Procédure expérimentale
IV.2. Résultats
IV.2.1. Analyse des solutions altérantes
IV.2.2. Analyse des solides
IV.2.3. Propriétés supraconductrices
IV.3. Discussion
IV.4. Conclusion
Conclusion
