Propriétés spectroscopiques et structurales du fer dans les verres silicatés

Résumé

Parmi l’infinité de compositions verrières, les silicates représentent 90% de la production mondiale de verre et sont utilisés pour de nombreuses applications industrielles (par exemple l’automobile, le bâtiment ou les panneaux solaires). Des verres silicatés dopés avec 0.5%pds de Fe2O3 ont été spécifiquement synthétisés dans des conditions d’oxydoréduction extrêmes, réductrices ou oxydantes. L’objectif étant d’isoler les signatures spectroscopiques respectives du Fe2+ et du Fe3+ qui sont habituellement mélangés en raison de la nature hétérovalente du fer. Cependant, les conditions de synthèse ne permettent pas d’isoler des environnements spécifiques du fer qui reste distribué dans les verres. Par conséquent, des minéraux contenant du Fe2+ et du Fe3+ dans des environnements bien définis ont été sélectionnés. La compréhension des relations structure-spectroscopie dans ces références cristallines est donc une étape préliminaire à l’interprétation des signatures spectroscopiques du fer dans les verres. Une étude multi-spectroscopique a été réalisée sur les verres et minéraux en combinant des méthodes expérimentales (absorption optique, absorption des rayons X au seuil K du fer, résonance paramagnétique électronique) et théoriques (calculs multiélectroniques dans l’approche en champ de ligand pour reproduire les spectres de pré-seuils K et de spectres optiques) pour mieux comprendre l’environnement local du fer dans les verres. L’étude des références cristallines a permis de montrer l’influence de la symétrie locale (Oh, Td, D4h/C4v et D3h/C3v) du site du fer et de l’hybridation p–d sur sa signature spectroscopique. Concernant l’étude des verres silicatés réduits, une majorité du Fe2+ est présent en coordinance 5, il est montré que cette dernière permet de reproduire et d’expliquer la signature du fer par une distribution des paramètres de champ cristallin rendant compte de la nature amorphe du verre. L’analyse des verres oxydés a permis d’appuyer l’existence de Fe3+ en coordinance 5 dans les verres sodo-calciques, dont la prise en compte est nécessaire pour l’interprétation des spectres optiques en complément des coordinances tétraédriques. Cette étude apporte un éclairage nouveau sur les variations structurales et spectroscopiques du fer en réaction à une substitution du calcium par du magnésium ou à l’absence d’alcalin dans la composition de la matrice verrière.