Search

International audience; Aperiodic crystals possess long-range order without translational symmetry. They constitute a state of matter that has forced a profound paradigm shift in solid-state physics. A common feature of aperiodic crystals is that they recover periodicity in higher dimensional spaces, the so-called crystallographic superspaces. Much work has been dedicated to the structural order within these superspaces and also to their specific dynamics. This paper focuses on the phase transitions within crystallographic superspaces. Aperiodic crystals are divided into three families: incommensurately modulated crystals, composite crystals, and quasicrystals. Incommensurately modulated crystals have been studied heavily and appear now to be relatively well understood, since they possess a periodic high-symmetry phase. The other two members of the family are aperiodic by construction. In this paper, we present a comprehensive and systematic study of a prototype composite host-guest family of n-alkane/urea inclusion compounds [$n−$ C$_n$H$_{2n+2}$/CO(NH$_2$)$_2$]. For these materials, which exhibit a rich sequence of phases, the phase transitions are described in terms of group/subgroup symmetry breaking within crystallographic superspaces. Such phase transitions may decrease, increase, or maintain the dimension of the crystallographic superspace. These results highlight the multiplicity of specific structural solutions thataperiodicity offers.

International audience; The understanding of the symmetry breakings within crystals that are aperiodic by construction is actually very limited. Quasicrystals and incommensurate composite crystals may potentially allow such studies. We focus on the phase transitions of the aperiodic n-nonadecane/urea which recovers a translational symmetry within a four-dimensional space at room temperature. High-resolution neutron and synchrotron studies are reported as a function of the temperature on this organic crystal which presents an exceptional mosaicity. They reveal the richness of such approach, showing the appearance of very long wavelength supplementary intermodulations. This work generalizes the Landau theory to incommensurate composite crystals.

International audience; Lattice dynamics of low-dimensional BaVS3 is reported across the metal-insulator Peierls transition occurring at TP=69 K using a combination of the thermal diffuse scattering of x rays, inelastic x-ray scattering, and density-functional theory calculations. The nondetection of a Kohn anomaly points to a unique situation of an order-disorder Peierls instability with a quasielastic critical scattering which has been fully characterized. These observations are discussed in the scope of a Peierls instability dominated by strong electron-phonon coupling and/or nonadiabatic effects.

International audience; The anharmonic lattice dynamics of MgO has been studied at ambient conditions and at high temperatures by infrared spectroscopy and inelastic x-ray scattering measurements combined with density functional perturbation theory calculations. The agreement between the measured phonon energies and widths with ab initio calculated values provides a direct and pertinent test of the validity of advanced theoretical methods. Long observed anharmonic features in the infrared reflectivity find a clear explanation in terms of well-defined multiphonon scattering processes and lattice dynamics peculiarities, also responsible for a significant and sharp reduction of the longitudinal optical phonon lifetime at critical finite wave vectors. Our work highlights the importance of multiphonon scattering processes on the collective dynamics and related material properties. The importance and effectiveness of a synergetic approach combining experiments and ab initio simulations to understand the complex phenomena that control the properties of materials under extreme thermodynamic conditions cannot be overstated. This joint effort becomes essential for acquiring knowledge of, and correctly modeling, the anharmonic effects on the collective dynamics of crystalline solids. Phonon an-harmonicity is a very important topic of fundamental interest, also crucial on an applied basis, as phonons play a major role in many physical properties such as thermal and electrical conductivity, or superconductivity. During the past two decades theoretical and numerical tools have improved dramatically (e.g., Refs. [1-3]), allowing for the simulation of anharmonic phenomena, such as phonon lifetimes and lattice thermal conductivity. This led to important applications in the study of thermoelectricity [4,5]. Indeed, knowing how the heat flows, or dissipates, is of primary importance in the conception of new and improved thermoelectric devices. More generically, the influence of multiparticle coupling has been largely highlighted in a variety of materials going from those of technological interest such as the thermoelectrics Bi 2 Te 3 , PbTe, to the alkali halides or simple metals such as aluminum [6-9]. In a similar manner , calculations of the lattice thermal conductivity at high pressures and high temperatures have been carried out for many compounds of geophysical interest such as MgO [10] and MgSiO 3 [11], as the relative importance of heat transport mechanisms (conduction versus radiation versus convection) strongly influences the planet internal dynamics [12]. However, the pertinence of such an approach has been challenged, in the absence of an advanced description (and the consequent modeling) of the normal mode anharmonic interactions responsible for the thermodynamic behavior of crystals [13]. The way in which phonons interact has a non-negligible impact on the physical properties of the material, and the concept of the phonon itself finds its limits. Noteworthy, such intense and diversified research is mostly based on computational studies. Only a few are experiments and even fewer are studies in which the theoretical predictions and measurements are directly compared [9,14-19]. Macroscopic quantities, such as thermal conductivity or the thermoelectric figure of merit ZT, depend on the entire phonon spectrum and are very sensitive to the approximations used in the ab initio simulations and to the specific characteristics of individual samples (degree of crystallinity, presence and nature of defects, etc.), making any comparison difficult to interpret. From an experimental standpoint several spectro-scopic techniques are necessary to probe phonons over the entire dispersion: visible (Raman, Brillouin) and infrared spectroscopies at vanishing crystal momentum, and inelastic neutrons or x-ray scattering at finite wave vectors. In this context we undertook a complete experimental and computational study on the rocksalt compound MgO, so to directly and unambiguously assess the quality of theoretical simulations of the anharmonic phonon dynamics. The choice of MgO is based on the availability of high-quality single crystals, jointly to a major geophysical interest. Moreover, anharmonic effects have been observed in the dielectric function of MgO and other cubic ionic crystals [20-22]. Specifically in these compounds, a pure harmonic scenario fails to describe the infrared reflectivity in the reststrahlen region, where an unexpected shoulder is systematically observed. This feature translates into an excess of spectral weight in the imaginary part of the dielectric function that is explained 2469-9950/2019/99(22)/220304(5) 220304-1

International audience; The lattice dynamics of low-dimensional BaVS3 is reported accross the hexagonal-orthorhombic phase transition occuring at TS = 250 K using a combination of Thermal Diffuse Scattering of X-rays, Inelastic X-ray Scattering and DFT calculations. We observed the occurence of strongly temperature-dependent diffuse scattering upon approaching the transition, centered at the Γ points associated with weak Bragg reflections with odd L. Inelastic scattering experiment related this observation to the condensation of a low-lying overdamped optical phonon at the Brillouin zone center, evidenced by significant variations of quasi-elastic scattering. These results unravel the dynamical origin of the zigzag distortion of the V chains at TS, which is probably a prerequisite of the Peierls anomaly driving the metal-insulator transition at T MI = 70 K.

In order to resolve inconsistencies encountered in published data for SrSO[Formula: see text], the elasticity and the phase stability of celestite has been studied using thermal diffuse scattering, high pressure powder synchrotron x-ray diffraction, Raman scattering and DFT calculations. The structure of SrSO[Formula: see text] is found to be stable up to 62 GPa at ambient temperature. The preferred values for the components of the elastic stiffness tensor have been determined using x-ray thermal diffuse scattering and are (in GPa): [Formula: see text], [Formula: see text], [Formula: see text], [Formula: see text], [Formula: see text], [Formula: see text], [Formula: see text], [Formula: see text], [Formula: see text]. The preferred value for the bulk modulus is [Formula: see text] GPa. This work shows that thermal diffuse scattering collected at two temperatures allows the determination of the full elastic tensor of crystals with low space group symmetry.

International audience

International audience; Despite a large number of studies [2,3] over the years since the first discovery [7] and a couple of comprehensive reviews [8,9] the actual mechanism for PLD/CDW formation is still under debate. The most recent experimental [10-13] and theoretical [14] works focus on the large area growth of the CDW phase [13] the thickness dependence , and the possible unconventional behavior in the ultimate 2D limit of a single layer TiSe 2. [10-12,14] On the other hand, the other Ti dichalcogenides namely TiS 2 and TiTe 2 did not show any clear evidence until very recently when a CDW state was reported only for 1 monolayer (ML)-thin TiTe 2 at temperatures lower than 92 K. [15] It is surprising that the CDW in TiTe 2 was found to be totally suppressed for films thicker than 1 ML, [15] unlike the case of other TMDs where 1 ML and bulk-like films both make the transition to a CDW at nearly the same temperature. The interest about TiTe 2 is continuously increasing in view of theoretical predictions [16] and more recent experimental evidence [17] about pressure induced topological phase transitions in TiTe 2. The possibility to also manipulate superconduc-tivity by external pressure as predicted [18] and more recently evidenced [19] in bulk TiTe 2 creates the prospect to explore the emergence of topological superconductivity in this material. In the latter work [19] it has been shown that under nonhydro-static pressure, a CDW-like state with estimated transition temperature above room temperature (RT) appears in bulk TiTe 2 at around 0.5-1.8 GPa. These results call for a re-examination of the possibility to obtain a CDW in multilayer TiTe 2 and indeed at RT with good potential for real world applications utilizing the properties of the CDW state. These applications include a voltage-controlled oscillator device operating at room temperature , [20] fast electronic resistance switching for nonvolatile memories, [21,22] and field-effect transistor devices potentially suitable for implementation of non-Boolean logic. [23] In this paper it is shown that multilayer films (50 ML ≈ 32 nm), as well as single layer TiTe 2 epitaxially grown on InAs(111)/ Si(111) substrates by molecular beam epitaxy exhibit, in ambient pressure conditions, a CDW distortion at room temperature which is sustained up to higher temperatures, at least 400 °C, as evidenced by reflection high energy electron diffrac-tion (RHEED) (Figure S1, Supporting Information). The results are explained in terms of anisotropic strain imposed by the substrate. The group IVB 2D transition metal dichalcogenides are considered to be stable in the high symmetry trigonal octahedral structure due to the lack of unpaired d-electrons on the metal site. It is found that multilayer epitaxial TiTe 2 is an exception adopting a commensurate 2 × 2 × 2 charge density wave (CDW) structure at room temperature with an ABA type of stacking as evidenced by direct lattice imaging and reciprocal space mapping. The CDW is stabilized by highly anisotropic strain imposed by the substrate with an out-off-plane compression which reduces the interlayer van der Waals gap increasing the coupling between TiTe 2 layers.

Bi${}_{2}$SiO${}_{5}$ recently emerged as a promising ambient-temperature lead-free ferroelectric with a Curie temperature of 663 K, where the ferroelectricity arises from the tilt of quasi-one-dimensional SiO${}_{4}$ chains. Here, the authors analyze the competition between ferroelectric and antiferroelectric instabilities by investigating the characteristic temperature-dependent phonon energies at the center and the edge of the Brillouin zone, respectively. The direct evidence for this competition opens the way towards tuning the properties of Bi${}_{2}$SiO${}_{5}$ by application of pressure or electrical field.

We carried out sound velocity and density measurements on solid hcp-Fe and an hcp-Fe–Si alloy with 9 wt.% Si at 300 K up to ∼170 and ∼140 GPa, respectively. The results allow us to assess the density (ρ) dependence of the compressional sound velocity ( V P ) and of the shear sound velocity ( V S ) for pure Fe and the Fe–Si alloy. The established V P –ρ and V S –ρ relations are used to address the effect of Si on the velocities in the Fe–FeSi system in the range of Si concentrations 0 to 9 wt.% applicable to the Earth's core. Assuming an ideal linear mixing model, velocities vary with respect to those of pure Fe by ∼ + 80 m / s for V P and ∼ − 80 m / s for V S for each wt.% of Si at the inner core density of 13 000 kg/m3. The possible presence of Si in the inner core and the quantification of its amount strongly depend on anharmonic effects at high temperature and on actual core temperature.

International audience; We report on the lattice dynamics of MgSiO 3 perovskite (bridgmanite). Phonon spectroscopy was performed employing inelastic X-ray scattering from single crystals, and the results were confronted to ab initio calculations. We observe a remarkable agreement between experiment and theory, and provide accurate results for phonon dispersion relations, the vibrational density of states, and the full elasticity tensor. The present work constitutes an important milestone fully validating the lattice dynamics calculation against precise experimental evidence and marks a starting point to extend this kind of combined studies to the high-pressure and high-temperature conditions directly relevant for the physical properties and chemical composition of Earth's lower mantle.

n-Dodecane/urea is a member of the prototype series of n-alkane/urea inclusion compounds. At room temperature, it presents a quasi-one dimensional liquid-like state for the confined guest molecules within the rigid, hexagonal framework of the urea host. At lower temperatures, we report the existence of two other phases. Below Tc=248 K there appears a phase with rank four superspace group P61 22(00γ), the one typically observed at room temperature in n-alkane/urea compounds with longer guest molecules. A misfit parameter, defined by the ratio γ= c h/c g (c host/c guest), is found to be 0.632±0.005. Below Tc1=123 K, a monoclinic modulated phase is created with a constant shift along c of the guest molecules in adjacent channels. The maximal monoclinic space group for this structure is P121 1(α0γ). Analogies and differences with n-heptane/urea, which also presents a monoclinic, modulated low-temperature phase, are discussed.

International audience; We report an experimental study of the phonon dispersion in BiFeO(3) single crystals at ambient conditions by inelastic x-ray scattering (IXS). The phonon dispersions were recorded along several symmetry directions up to 35 meV. Our results compare favorably with first-principles calculations performed using density functional theory (DFT) within the local-density approximation (LDA). We resolve a discrepancy concerning the symmetry of the optical phonon branches observed by Raman spectroscopy, determine the energy of the lowest Raman and infrared silent mode, and derive a subset of the elastic moduli of BiFeO(3).

A large number of phase transitions can be interpreted as being driven by phonon softening and/or electron-phonon coupling. Thus, a full mechanistic description requires the understanding of structural transformation, changes in electronic structure and lattice dynamics. All together this represents an enormous, for many cases unrealisable, experimental and theoretical effort.However, with the introduction of appropriate assumptions the problem may be simplified. Here we concentrate on two systems, where the interpretation of the phase transition may be split into an intrinsic instability of the building blocks combined with a superimposed electronic instability. We illustrate the interplay between the framework and electron-phonon-related instabilities using the seemingly heterogeneous examples of phosphate tungsten bronzes and elementary antimony. Based on the combined results from diffuse and inelastic X-ray scattering, we propose for the two systems a picture that explains the experimental observations. The similarities found between these two systems are deemed to be rather surprising.Monophosphate tungsten bronzes are a family of quasi-2D-oxides, (PO2)4(WO3)2m, that exhibits charge density wave (CDW) instability. They contain empty perovskite WO3 slabs with varying thickness between different members, characterised by the m value. This thickness defines the sequence of charge density wave phases that appear on cooling. The degenerate case of m=2, presenting a quasi-1D instability, was explored since the WO3-octahedra zig-zag chain is isolated. A CDW phase (TC=270K and q=0.25b*) is found to be linked to a rigid-body motion, precisely, to a correlation in the tilting of the octahedra. For the others studied members, as m=6,7 and 8, we found another kind of structural instability. In this case the origin comes from the WO3 slabs framework, realised as correlated displacements of tungsten atoms along the octahedral 4-fold axis direction (W-O-W-O direction). This leads to a strong x-ray diffuse scattering localised in specific planes, linked to relatively soft phonons modes. Specific Fermi surface nesting, close to the 2D case, gives rise to a freezing of the modulations at the specific momentum transfer, defined by the interplay of two instabilities, the structural and electronic one. Remarkably, the displacements of W for m=8 are much superior than in m=6.Elemental antimony at ambient condition has an A7 rhombohedral structure, obtained by small distortion from primitive cubic (PC) lattice through a Peierls transition. Under pressure, the distortion is reduced, but remains finite, as antimony transforms through a series of highly complex structures, before adopting as last the highest-symmetry body-centred cubic (BCC) phase. The main diffuse scattering features and to some extent the peculiarities in the lattice dynamics of the A7 phase – as above - can be explained by the instability of the primitive cubic network with respect to correlated displacements along the chains with pseudo-cubic directions. Analysis of critical vectors for the BCC-PC transformation together with experimentally obtained phonon-energies pressure dependence provides further insights into the details of the phase transformation.; Les phonons mous et le couplage électron-phonon sont considérés comme responsables d’un grand nombre de transition de phase. Pour en comprendre complétement les mécanismes, il est nécessaire d’étudier à la fois les modifications structurales, les changements de configuration électronique et les dynamiques de réseau cristallin. De toute évidence, cela représente une charge de travail expérimental et théorique considérable, voire même hors d’atteinte.Néanmoins, il est parfois possible d’introduire certaines simplifications et d’ainsi rendre une telle étude réalisable. C’est le cas pour les deux systèmes au cœur de ce travail de thèse, pour lesquels la transition de phase peut être diviser en deux instabilités : l’une est structurale, intrinsèque aux éléments constitutifs du système et l’autre, superposée, provient de la configuration électronique. L’interaction entre ces instabilités est illustrée à travers l’exemple de deux systèmes à priori hétérogènes, la famille des bronzes monophosphate de tungstène d’une part et l’antimoine d’autre part, qui révèleront finalement posséder des similarités inattendues. La combinaison des techniques de diffusion diffuse et de diffusion inélastique de rayons X permet des observations qualitatives et une meilleure compréhension de la situation pour les deux systèmes.Les bronzes monophosphate de tungstène font partie de la famille des oxydes quasi-2D, (PO2)4(WO3)2m, qui ont la particularité d’être sujet à des instabilités de type onde de densité de charges (ODC). Ces bronzes sont constitués d’une structure de perovskite vide composée par des couches octaédriques (WO3)2m. L’épaisseur de chacune de ces couches est définie par la valeur de m, qui mène ainsi à différents types de phase d’ODC. Le cas du terme m=2 a aussi été étudié car le fait que les chaînes zig-zag y soient isolées conduit à une instabilité quasi-1D. La présence d’une phase d’ODC a été découverte à TC=270K avec q=0.25b*. Cette phase est engendrée par le mouvement à corps rigide, plus exactement, par les basculements corrélés des octaèdres. Pour les autres termes (m=6,7 et 8), l’instabilité structurale a une origine différente et est liée à l’agencement en couches de WO3, plus particulièrement aux déplacements corrélés des chaînes W-O-W-O. Ces derniers sont la cause d’une forte diffusion diffuse sur des plans spécifiques, résultant de la présence de phonons ’relativement’ mous localisés dans la même région. Ensuite, l’emboitement de la surface de Fermi quasi-2D est à l’origine de l’ancrage du vecteur de modulation sur une valeur spécifique de transfert de moment, définit par l’interaction de deux instabilités, structurale et électronique. De façon remarquable, l’amplitude des déplacements des atomes de tungstène dans le terme m=8 est beaucoup plus élevée que dans le m=6.L’antimoine à température ambiante possède une structure rhomboédrique, dérivant d’une légère distorsion de la structure cubique primitive (CP) par transition de Peierls. Sous pression, la distorsion se réduit sans toutefois disparaître complétement, puisque l’antimoine se transforme dans un premier temps en une série de structures complexes, pour finalement adopter celle possédant la plus grande symétrie, la structure cubique centrée (CC). De la même façon que pour les bronzes, les caractéristiques de la diffusion diffuse ainsi que, dans une certaine mesure, les particularités de la dynamique du réseau rhomboédrique, s’expliquent à travers de l’instabilité du réseau cubique primitif. Cette dernière est liée aux déplacements corrélés dans les chaînes avec direction pseudo-cubique . En outre, les détails de la transition de phase peuvent être explicités par l’association de l’analyse des vecteurs critiques de la transformation CC-CP avec les résultats expérimentaux obtenus sur la dépendance en pression de l’énergie des phonons.

A large number of phase transitions can be interpreted as being driven by phonon softening and/or electron-phonon coupling. Thus, a full mechanistic description requires the understanding of structural transformation, changes in electronic structure and lattice dynamics. All together this represents an enormous, for many cases unrealisable, experimental and theoretical effort.However, with the introduction of appropriate assumptions the problem may be simplified. Here we concentrate on two systems, where the interpretation of the phase transition may be split into an intrinsic instability of the building blocks combined with a superimposed electronic instability. We illustrate the interplay between the framework and electron-phonon-related instabilities using the seemingly heterogeneous examples of phosphate tungsten bronzes and elementary antimony. Based on the combined results from diffuse and inelastic X-ray scattering, we propose for the two systems a picture that explains the experimental observations. The similarities found between these two systems are deemed to be rather surprising.Monophosphate tungsten bronzes are a family of quasi-2D-oxides, (PO2)4(WO3)2m, that exhibits charge density wave (CDW) instability. They contain empty perovskite WO3 slabs with varying thickness between different members, characterised by the m value. This thickness defines the sequence of charge density wave phases that appear on cooling. The degenerate case of m=2, presenting a quasi-1D instability, was explored since the WO3-octahedra zig-zag chain is isolated. A CDW phase (TC=270K and q=0.25b*) is found to be linked to a rigid-body motion, precisely, to a correlation in the tilting of the octahedra. For the others studied members, as m=6,7 and 8, we found another kind of structural instability. In this case the origin comes from the WO3 slabs framework, realised as correlated displacements of tungsten atoms along the octahedral 4-fold axis direction (W-O-W-O direction). This leads to a strong x-ray diffuse scattering localised in specific planes, linked to relatively soft phonons modes. Specific Fermi surface nesting, close to the 2D case, gives rise to a freezing of the modulations at the specific momentum transfer, defined by the interplay of two instabilities, the structural and electronic one. Remarkably, the displacements of W for m=8 are much superior than in m=6.Elemental antimony at ambient condition has an A7 rhombohedral structure, obtained by small distortion from primitive cubic (PC) lattice through a Peierls transition. Under pressure, the distortion is reduced, but remains finite, as antimony transforms through a series of highly complex structures, before adopting as last the highest-symmetry body-centred cubic (BCC) phase. The main diffuse scattering features and to some extent the peculiarities in the lattice dynamics of the A7 phase – as above - can be explained by the instability of the primitive cubic network with respect to correlated displacements along the chains with pseudo-cubic directions. Analysis of critical vectors for the BCC-PC transformation together with experimentally obtained phonon-energies pressure dependence provides further insights into the details of the phase transformation., Les phonons mous et le couplage électron-phonon sont considérés comme responsables d’un grand nombre de transition de phase. Pour en comprendre complétement les mécanismes, il est nécessaire d’étudier à la fois les modifications structurales, les changements de configuration électronique et les dynamiques de réseau cristallin. De toute évidence, cela représente une charge de travail expérimental et théorique considérable, voire même hors d’atteinte.Néanmoins, il est parfois possible d’introduire certaines simplifications et d’ainsi rendre une telle étude réalisable. C’est le cas pour les deux systèmes au cœur de ce travail de thèse, pour lesquels la transition de phase peut être diviser en deux instabilités : l’une est structurale, intrinsèque aux éléments constitutifs du système et l’autre, superposée, provient de la configuration électronique. L’interaction entre ces instabilités est illustrée à travers l’exemple de deux systèmes à priori hétérogènes, la famille des bronzes monophosphate de tungstène d’une part et l’antimoine d’autre part, qui révèleront finalement posséder des similarités inattendues. La combinaison des techniques de diffusion diffuse et de diffusion inélastique de rayons X permet des observations qualitatives et une meilleure compréhension de la situation pour les deux systèmes.Les bronzes monophosphate de tungstène font partie de la famille des oxydes quasi-2D, (PO2)4(WO3)2m, qui ont la particularité d’être sujet à des instabilités de type onde de densité de charges (ODC). Ces bronzes sont constitués d’une structure de perovskite vide composée par des couches octaédriques (WO3)2m. L’épaisseur de chacune de ces couches est définie par la valeur de m, qui mène ainsi à différents types de phase d’ODC. Le cas du terme m=2 a aussi été étudié car le fait que les chaînes zig-zag y soient isolées conduit à une instabilité quasi-1D. La présence d’une phase d’ODC a été découverte à TC=270K avec q=0.25b*. Cette phase est engendrée par le mouvement à corps rigide, plus exactement, par les basculements corrélés des octaèdres. Pour les autres termes (m=6,7 et 8), l’instabilité structurale a une origine différente et est liée à l’agencement en couches de WO3, plus particulièrement aux déplacements corrélés des chaînes W-O-W-O. Ces derniers sont la cause d’une forte diffusion diffuse sur des plans spécifiques, résultant de la présence de phonons ’relativement’ mous localisés dans la même région. Ensuite, l’emboitement de la surface de Fermi quasi-2D est à l’origine de l’ancrage du vecteur de modulation sur une valeur spécifique de transfert de moment, définit par l’interaction de deux instabilités, structurale et électronique. De façon remarquable, l’amplitude des déplacements des atomes de tungstène dans le terme m=8 est beaucoup plus élevée que dans le m=6.L’antimoine à température ambiante possède une structure rhomboédrique, dérivant d’une légère distorsion de la structure cubique primitive (CP) par transition de Peierls. Sous pression, la distorsion se réduit sans toutefois disparaître complétement, puisque l’antimoine se transforme dans un premier temps en une série de structures complexes, pour finalement adopter celle possédant la plus grande symétrie, la structure cubique centrée (CC). De la même façon que pour les bronzes, les caractéristiques de la diffusion diffuse ainsi que, dans une certaine mesure, les particularités de la dynamique du réseau rhomboédrique, s’expliquent à travers de l’instabilité du réseau cubique primitif. Cette dernière est liée aux déplacements corrélés dans les chaînes avec direction pseudo-cubique . En outre, les détails de la transition de phase peuvent être explicités par l’association de l’analyse des vecteurs critiques de la transformation CC-CP avec les résultats expérimentaux obtenus sur la dépendance en pression de l’énergie des phonons.

The classical methods in the study of lattice dynamics, such as inelastic neutron and x-ray scattering, are and will remain flux-limited, consequently the measurements are time consuming. To maximise the yield of these techniques, measurement strategies need to be established prior to the experiment. These strategies can be elaborated and optimised by lattice dynamics calculations and thermal diffuse scattering. Measuring thermal diffuse scattering is a simple experiment where extended regions of reciprocal space can be rapidly explored in detail and characteristic features of the lattice dynamics identified. Slower spectroscopy measurements can then be applied on the selected regions of interest to gain access to the energy and intensity of individual vibrations. Moreover, in some cases the input of thermal diffuse scattering may become so constraining for the (quasi)harmonic lattice dynamic calculation, that inelastic scattering experiment will not be a necessary ingredient for the recovery of a self-consistent picture of the dynamics. In the frame of this work, the combination of thermal diffuse scattering, inelastic x-ray scattering and lattice dynamics calculations from first principles ab initio is applied to study the lattice dynamics of single crystals. Both diffuse scattering intensities and inelastic spectra determined by experiment are compared to the ones calculated ab initio. The combination of these three techniques gives access to the full lattice dynamics in the harmonic description and permits valuable new insights into the vibrational properties. The reader will be introduced to the key formalism of lattice dynamics, inelastic and thermal diffuse scattering. Methods for the calculation of vibrational properties from first principles are discussed, followed by a guideline for well converged calculations. The experimental techniques used in this work are presented and new possibilities for combined studies examined. The methodology is illustrated for several benchmark systems. Two silica polymorphs - coesite and alpha-cristobalite – were chosen as examples for covalent systems and investigated in detail. The experimentally validated calculation was used for the analysis of eigenvectors and eigenvalues of different modes, and their contribution to the total and partial density of vibrational states. Comparison with the most abundant silica polymorph - alpha-quartz - and germanium oxide in alpha-quartz structure reveals distinct similarities and differences in the low-energy vibrational properties. Metallic tin polymorphs were chosen to study the influence of the electron subsystem on inter-ionic interactions and the lattice dynamics. Tin exhibits both interesting structural properties and a complex Fermi surface. An unusual asymmetry of thermal diffuse scattering is observed which can be explained within the frame of harmonic lattice dynamics. Finally, the established method is applied to ice which exhibits not only characteristic thermal diffuse scattering but also static contributions from the hydrogen disorder. The methodology proposed in the present work provides a powerful tool in the study of lattice dynamics and will be applicable to a large variety of systems. The studies can be extended to extreme conditions involving very high pressures and a large temperature range. It may be also used to study localised properties of atomic vibrations in systems with broken symmetries, e.g. disorder or surface effects.; Les méthodes classiques dans l'étude de la dynamique de réseau, comme la diffusion inélastique des neutrons et des rayons X, sont et vont rester limitées en flux. En conséquence les mesures sont coûteuse en temps. Pour optimiser le rendement de ces techniques, la stratégie de mesure doit être préparée avant l'expérience. Cette stratégie peut être élaborée et optimisé par des calculs de la dynamique de réseau et de la diffusion diffuse. La mesure de la diffusion diffuse thermique est une expérience simple où les régions étendues dans l'espace réciproque peuvent être explorées rapidement et en détails, ce qui permet d'identifier les caractéristiques dans la dynamique de réseau. Une méthode spectroscopique peut être appliquée ensuite sur les régions d'intérêt donnant accès à l'énergie et à l'intensité des vibrations individuelles. Dans certains cas, la diffusion diffuse thermique devient tellement contraignante pour les calculs de la dynamique de réseau (quasi)harmonique, que l'expérience de diffusion inélastique n'est plus un ingrédient nécessaire dans la reconstruction d'une image cohérente de la dynamique. Dans le cadre de ce travail la combinaison des techniques utilisant la diffusion thermique, la diffusion inélastique des rayons X et les calculs réalisés à partir des premiers principes ab initio est proposée pour l'étude de la dynamique de réseau de monocristaux. Les intensités de diffusion diffuse ainsi que les spectres inélastiques observés sont comparés à ceux calculés ab initio. Ces techniques combinées donnent accès à la description complète de la dynamique de réseau en approximation harmonique, et fournissent des informations supplémentaires précieuses. Le lecteur sera initié au formalisme de la dynamique de réseau et à celui de la diffusion inélastique et thermique. Les méthodes de calculs des propriétés vibrationnelles issues des calculs ab initio vont être introduites suivant un ensemble d'étapes menant à la convergence et donc à la validation de l'ensemble des calculs. Les techniques expérimentales utilisées tout au long de cette étude ainsi que les nouvelles possibilités s'ouvrant désormais grâce aux études combinées, serons présentées. La méthodologie sera illustrée par plusieurs systèmes de référence. Dans le cadre des systèmes à liaisons covalentes, deux polymorphes de silice - coésite et cristobalite - sont à l'étude. Les calculs expérimentaux validés sont utilisés pour l'étude des vecteurs propres, des valeurs propres et de leur contributions a la densité d'états vibrationnels (partiel et total). La comparaison avec le polymorphe de silice le plus abondant - alpha-quartz - et l'oxide de germanium en structure de alpha-quartz - révèle des ressemblances et des différences distinctes dans les propriétés vibrationnelles à basse énergie. Les polymorphes d'étain ont été choisis pour étudier l'impact du sous-système électronique sur les interactions inter-ioniques et la dynamique de réseau de monocristaux. L'étain manifeste des propriétés structurelles intéressantes, et une surface de Fermi relativement complexe. On observe une asymétrie inhabituelle au niveau de la diffusion diffuse, propriété qui peut s'expliquer dans le cadre d'une approximation harmonique de la dynamique de réseau. Enfin, la méthode élaborée est appliquée à de la glace, ce qui démontre non seulement une diffusion thermique caractéristique mais également des contributions statiques provenant du désordre de l'hydrogène. La méthodologie proposée fournit un outil puissant pour l'étude de la dynamique de réseau et sera applicable à une large variété de systèmes. Les études peuvent être étendues à des conditions extrêmes impliquant de très hautes pressions et une large gamme de températures. Cette méthodologie peut également être utilisée pour étudier les propriétés localisées de vibrations atomiques dans les systèmes avec des symétries brisées, par exemple des systèmes avec du désordre ou des effets topologiques.

The classical methods in the study of lattice dynamics, such as inelastic neutron and x-ray scattering, are and will remain flux-limited, consequently the measurements are time consuming. To maximise the yield of these techniques, measurement strategies need to be established prior to the experiment. These strategies can be elaborated and optimised by lattice dynamics calculations and thermal diffuse scattering. Measuring thermal diffuse scattering is a simple experiment where extended regions of reciprocal space can be rapidly explored in detail and characteristic features of the lattice dynamics identified. Slower spectroscopy measurements can then be applied on the selected regions of interest to gain access to the energy and intensity of individual vibrations. Moreover, in some cases the input of thermal diffuse scattering may become so constraining for the (quasi)harmonic lattice dynamic calculation, that inelastic scattering experiment will not be a necessary ingredient for the recovery of a self-consistent picture of the dynamics. In the frame of this work, the combination of thermal diffuse scattering, inelastic x-ray scattering and lattice dynamics calculations from first principles ab initio is applied to study the lattice dynamics of single crystals. Both diffuse scattering intensities and inelastic spectra determined by experiment are compared to the ones calculated ab initio. The combination of these three techniques gives access to the full lattice dynamics in the harmonic description and permits valuable new insights into the vibrational properties. The reader will be introduced to the key formalism of lattice dynamics, inelastic and thermal diffuse scattering. Methods for the calculation of vibrational properties from first principles are discussed, followed by a guideline for well converged calculations. The experimental techniques used in this work are presented and new possibilities for combined studies examined. The methodology is illustrated for several benchmark systems. Two silica polymorphs - coesite and alpha-cristobalite – were chosen as examples for covalent systems and investigated in detail. The experimentally validated calculation was used for the analysis of eigenvectors and eigenvalues of different modes, and their contribution to the total and partial density of vibrational states. Comparison with the most abundant silica polymorph - alpha-quartz - and germanium oxide in alpha-quartz structure reveals distinct similarities and differences in the low-energy vibrational properties. Metallic tin polymorphs were chosen to study the influence of the electron subsystem on inter-ionic interactions and the lattice dynamics. Tin exhibits both interesting structural properties and a complex Fermi surface. An unusual asymmetry of thermal diffuse scattering is observed which can be explained within the frame of harmonic lattice dynamics. Finally, the established method is applied to ice which exhibits not only characteristic thermal diffuse scattering but also static contributions from the hydrogen disorder. The methodology proposed in the present work provides a powerful tool in the study of lattice dynamics and will be applicable to a large variety of systems. The studies can be extended to extreme conditions involving very high pressures and a large temperature range. It may be also used to study localised properties of atomic vibrations in systems with broken symmetries, e.g. disorder or surface effects., Les méthodes classiques dans l'étude de la dynamique de réseau, comme la diffusion inélastique des neutrons et des rayons X, sont et vont rester limitées en flux. En conséquence les mesures sont coûteuse en temps. Pour optimiser le rendement de ces techniques, la stratégie de mesure doit être préparée avant l'expérience. Cette stratégie peut être élaborée et optimisé par des calculs de la dynamique de réseau et de la diffusion diffuse. La mesure de la diffusion diffuse thermique est une expérience simple où les régions étendues dans l'espace réciproque peuvent être explorées rapidement et en détails, ce qui permet d'identifier les caractéristiques dans la dynamique de réseau. Une méthode spectroscopique peut être appliquée ensuite sur les régions d'intérêt donnant accès à l'énergie et à l'intensité des vibrations individuelles. Dans certains cas, la diffusion diffuse thermique devient tellement contraignante pour les calculs de la dynamique de réseau (quasi)harmonique, que l'expérience de diffusion inélastique n'est plus un ingrédient nécessaire dans la reconstruction d'une image cohérente de la dynamique. Dans le cadre de ce travail la combinaison des techniques utilisant la diffusion thermique, la diffusion inélastique des rayons X et les calculs réalisés à partir des premiers principes ab initio est proposée pour l'étude de la dynamique de réseau de monocristaux. Les intensités de diffusion diffuse ainsi que les spectres inélastiques observés sont comparés à ceux calculés ab initio. Ces techniques combinées donnent accès à la description complète de la dynamique de réseau en approximation harmonique, et fournissent des informations supplémentaires précieuses. Le lecteur sera initié au formalisme de la dynamique de réseau et à celui de la diffusion inélastique et thermique. Les méthodes de calculs des propriétés vibrationnelles issues des calculs ab initio vont être introduites suivant un ensemble d'étapes menant à la convergence et donc à la validation de l'ensemble des calculs. Les techniques expérimentales utilisées tout au long de cette étude ainsi que les nouvelles possibilités s'ouvrant désormais grâce aux études combinées, serons présentées. La méthodologie sera illustrée par plusieurs systèmes de référence. Dans le cadre des systèmes à liaisons covalentes, deux polymorphes de silice - coésite et cristobalite - sont à l'étude. Les calculs expérimentaux validés sont utilisés pour l'étude des vecteurs propres, des valeurs propres et de leur contributions a la densité d'états vibrationnels (partiel et total). La comparaison avec le polymorphe de silice le plus abondant - alpha-quartz - et l'oxide de germanium en structure de alpha-quartz - révèle des ressemblances et des différences distinctes dans les propriétés vibrationnelles à basse énergie. Les polymorphes d'étain ont été choisis pour étudier l'impact du sous-système électronique sur les interactions inter-ioniques et la dynamique de réseau de monocristaux. L'étain manifeste des propriétés structurelles intéressantes, et une surface de Fermi relativement complexe. On observe une asymétrie inhabituelle au niveau de la diffusion diffuse, propriété qui peut s'expliquer dans le cadre d'une approximation harmonique de la dynamique de réseau. Enfin, la méthode élaborée est appliquée à de la glace, ce qui démontre non seulement une diffusion thermique caractéristique mais également des contributions statiques provenant du désordre de l'hydrogène. La méthodologie proposée fournit un outil puissant pour l'étude de la dynamique de réseau et sera applicable à une large variété de systèmes. Les études peuvent être étendues à des conditions extrêmes impliquant de très hautes pressions et une large gamme de températures. Cette méthodologie peut également être utilisée pour étudier les propriétés localisées de vibrations atomiques dans les systèmes avec des symétries brisées, par exemple des systèmes avec du désordre ou des effets topologiques.