Shedding light on the electronic structure of Mn+1AXn nanolamellar carbides
Exploration de la structure électronique des carbures nanolamellaires Mn+1AXn
Résumé
The Mn+1AXn, or “MAX” phases, where M is an early transition metal, A belongs to group 13-16 and X is C or N, are a class of nano-layered compounds that triggered strong interest from the material science community for their unique combinations of metal-like and ceramic-like properties. It render them highly desirable for high temperature and extreme conditions applications. They are also precursors for MXENES, a whole family of two dimensional carbides, notably sought for energy storage developments.Despite MAX phases’ attractiveness regarding a wide range of applications, some of their fundamental features are yet to be fully understood , especially when it comes to the relationships between their electronic structure, anisotropies and transport properties.The scope of this work is to shed light on these relationships, firstly by providing the first direct mapping of the electronic state of MAX phases. The methodology followed to experimentally determine the morphology of the electronic states (e.g. Band structure and Fermi surface) of several phases is extensively described. The outputs of Angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) experiments carried out on single crystals grown in Grenoble are consistently compared with the output of density functional theory (DFT) calculations.This methodology is firstly applied to Cr2AlC, V2AlC and Ti3SiC2. The relation between the detailed electronic structure of MAX phases and their transport or thermopower coefficients is exposed for both Ti3SiC2 and Cr2AlC.Then, a rigid band model that describes the electronic structure of all M2AC, or “211” MAX phases is given with great details.Finally, we present our latest results on a recently discovered MAX phase derivative: Mo4Ce4AlC3, which exhibit both ferromagnetism and Kondo lattice behavior at low temperature.
Les composés Mn+1AXn, ou phases “MAX”, avec M un métal de transition, A un élément des groupes 13 à 16 et X= C ou N, constituent une classe de matériaux nanolamellaires qui a généré un fort intérêt scientifique depuis ces vingt dernières années. Leur unique combinaison de propriétés caractéristiques des céramiques et des métaux en fait des candidats pour des applications à haute température ou sous des conditions physiques extrêmes. Il est également possible d’exfolier ces composés pour obtenir des carbures bidimensionnels appelé MXENES ayant de potentielles applications pour le développement de nouveaux systèmes de batteries.Malgré le large champ d’applications possibles qu’elles offrent, de nombreuses propriétés des phases MAX ne sont pas encore pleinement comprises. Les relations entre leur structure électronique, leurs anisotropies et leurs propriétés de transport sont encore à expliciter.Le but de ce travail de thèse est de mettre en évidence ces relations, tout d’abord en fournissant une cartographie directe des états électroniques des phases MAX. La méthodologie suivie pour déterminer la morphologie de ces états (les structures de bande et surfaces de Fermi des phases MAX) est détaillée avec précision. Les résultats d’expériences ARPES (spectroscopie à photoélectron résolue en angle) menées sur des monocristaux synthétisés à Grenoble sont systématiquement comparés à ceux de calculs DFT (théorie de la fonctionnelle de densité).Cette méthode est appliquée en premier lieu aux composés Cr2AlC, V2AlC et Ti3SiC2. La relation entre la structure électronique détaillée des phases MAX et leurs coefficients de transport électronique et thermique est exposée dans le cas de Cr2AlC et Ti3SiC2.Par la suite, un modèle à bandes rigides décrivant les états électroniques de toutes les phases M2AC ou phases « 211 » est décrit en détail.Enfin, nous présentons nos derniers résultats sur un dérivé des phases MAX récemment découvert: Mo4Ce4Al7C3, qui présente à la fois un ordre ferromagnétique et un comportement de réseau de Kondo à basse température.
Origine : Version validée par le jury (STAR)