Ce manuscrit présente une double contribution expérimentale et théorique à l'étude des matériaux de type phase de Haucke AB5 substituée. Ces composés peuvent absorber l'hydrogène de manière réversible dans des conditions de pression et de température satisfaisantes pour de nombreuses applications technologiques dont le stockage de l'hydrogène.<br /><br />La caractérisation thermodynamique de la réaction solide-gaz a été réalisée pour des composés mono et polysubstitués. Dans le respect de bonnes conditions de croissance (décomposition) de la phase hydrure, nous avons cherché à déterminer les trajectoires thermodynamiques permises au cours des différentes transformations. Nous avons démontré expérimentalement que l'état d'avancement et la hiérarchie des points mémoires sont les seuls paramètres permettant de décrire une loi de comportement liée au caractère irréversible de l'hystérésis. Ces systèmes évoluent en mode « statique », indépendant du temps et quelle que soit la nature du composé hôte.<br /><br />De plus, l'étude par méthode ab initio de la structure électronique a permis de mettre en évidence le rôle des éléments de substitution ANi5 (A=La, Y, Ca) et LaNi5-xMx, où M est un élément de type s-p (Al, Si, Ge, Sn), de type s (Cu), ou un élément de transition (Mn, Fe, Co). Tout en dissociant l'aspect géométrique, le rôle de l'interaction chimique avec l'hydrogène a été analysé. Ces résultats ont permis d'identifier les facteurs qui contrôlent la stabilité des hydrures et leur capacité maximum d'absorption. Les modules de rigidité de ces matériaux ont été calculés et leur variation a été discutée en relation avec les propriétés d'absorption d'hydrogène

De nouveaux matériaux d'électrode positive, des couches minces TiOySz et MoOySz, ont été analysés par xps. Les caractéristiques intrinsèques de ces matériaux ont été déterminées et les processus rédox mis en jeu lors du cyclage de générateurs expérimentaux ont été précisés. Parallèlement, des études ont été effectuées en XPS sur des matériaux d'électrolyte ((1-x) B2S3-xLi2S et (1-x) As2S3-xLi2S) sur leurs domaines vitreux respectifs ; en utilisant comme sonde principale le pic de coeur S2p, l'influence du modificateur sur le formateur de réseau a été analysée.

Ce travail concerne l'étude de la migration du 36Cl, produit d'activation, dans le dioxyde d'uranium. Nous avons simulé la présence de 36Cl par l'implantation d'une quantité de 37Cl comparable à la concentration de chlore présente à l'état d'impureté. Afin d'évaluer les propriétés de diffusion du chlore dans le combustible, nous avons procédé à deux types d'expériences :<br />- l'influence de la température a été étudiée en effectuant des recuits thermiques dans une gamme de température comprise entre 900 et 1300°C ; nous avons montré que le chlore implanté était mobile dès 1000°C et déterminé une énergie d'activation de 4,3 eV ;<br /><br />- l'influence de l'irradiation par des produits de fission a été étudiée en irradiant les échantillons avec des ions 127I (énergie de 63,5 MeV). Nous avons pu déterminer que la diffusion du chlore implanté sous irradiation et dans la gamme de température 30 – 250°C n'était pas purement athermique. Nous avons calculé un coefficient de diffusion sous irradiation D250 °C de l'ordre de 10^(-14) cm^2s^(-1).<br />Nous avons montré l'importance des défauts d'implantation et d'irradiation qui constituent notamment des chemins préférentiels pour un transport rapide du chlore. Les calculs ab-initio effectués en complément de l'étude expérimentale montrent que le site préférentiel du chlore est un site substitutionnel. Cela nous permet de penser que le mécanisme de diffusion du chlore est un mécanisme atomique de type Frank-Turnbull ou bien un mécanisme de diffusion par paires « lacune / chlore ».

Le corindon pur, de formule alpha-Al_2O_3, et le béryl, de formule<br />Be_3Si_6Al_2O_18, sont des minéraux incolores. Ils deviennent colorés lorsque des ions paramagétiques sont présents en impureté. Le rubis (alpha-Al_2O_3 dopé avec du chrome) est rouge, l'émeraude (Be_3Si_6Al_12O_18 dopé avec du chrome) est verte. Le corindon dopé avec du fer est jaune, il est rose s'il est dopé avec du titane. Le saphir bleu contient à la fois du fer et du titane (alpha-Al_2O_3:Fe-Ti). La couleur est généralement interprétée dans le cadre de la théorie du champ cristallin. Elle doit donc s'expliquer par un champ cristallin spécifique autour de ces ions colorants, correspondant dans chaque cas à une structure locale (cristallographique et electronique) précise.<br /><br />Notre objectif est de décrire précisément l'environnement autour des<br />impuretés dans les gemmes. Pour cela, nous effectuons à la fois des expériences d'absorption de rayons X, et des calculs ab initio. La structure cristallographique locale déduite des mesures expérimentales est comparée à celle déduite d'un calcul de relaxation de structure par minimisation d'énergie. La comparaison directe entre les spectres d'absorption de rayons X calculés et expérimentaux nous donne des informations à la fois sur la structure cristallographique et électronique locale. Tous ces calculs utilisent la théorie de la fonctionnelle de la densité.<br /><br />Cette étude révèle que l'introduction d'une impureté dans une structure conduit à des modifications très locales du cristal autour de l'impureté. Les atomes d'oxygène de la sphère de coordination de l'impureté M (M = Fe ou Cr) dans alpha-Al_2O_3 adoptent un arrangement similaire à celui autour de M dans alpha-M_2O_3.

Thèse de doctorat : Structure et dynamique des systèmes réactifs : Lille 1 : 2000. / Résumé en français et en anglais. Bibliogr. f. 117-123.

Defect-driven transport of impurities plays a key role in the microstructure evolution of alloys, and has a great impact on the mechanical properties at the macroscopic scale. This phenomenon is greatly enhanced in irradiated materials because of the large amount of radiation-induced crystal defects (vacancies and interstitials). For instance, the formation of nanosized solute clusters in neutron-irradiated reactor pressure vessel (RPV) ferritic steels has been shown to hinder dislocation motion and induce hardening and embrittlement. In Swedish RPV steels, this mechanical-property degradation is enhanced by the high content of manganese and nickel impurities. It has been suggested that the formation of Mn-Ni-rich clusters (which contain also Cu, Si, and P) might be the outcome of a dynamic process, where crystal defects act both as nucleation sites and solute carriers. Solute transport by point defects is therefore a crucial mechanism to understand the origin and the dynamics of the clustering process. The first part of this work aims at modeling solute transport by point defects in dilute iron alloys, to identify the intrinsic diffusion mechanisms for a wide range of impurities. Transport and diffusion coefficients are obtained by combining accurate ab initio calculations of defect transition rates with an exact mean-field model. The results show that solute drag by single vacancies is a common phenomenon occurring at RPV temperature (about 300 °C) for all impurities found in the solute clusters, and that transport of phosphorus and manganese atoms is dominated by interstitial-type defects. These transport tendencies confirm that point defects can indeed carry impurities towards nucleated solute clusters. Moreover, the obtained flux-coupling tendencies can also explain the observed radiation-induced solute enrichment on grain boundaries and dislocations. In the second part of this work, the acquired knowledge about solute-transport mechanisms is transferred to kinetic Monte Carlo (KMC) models, with the aim of simulating the RPV microstructure evolution. Firstly, the needed parameters in terms of solute-defect cluster stability and mobility are calculated by means of dedicated KMC simulations. Secondly, an innovative approach to the prediction of transition rates in complex multicomponent alloys is introduced. This approach relies on a neural network based on ab initio-computed migration barriers. Finally, the evolution of the Swedish RPV steels is simulated in a "gray-alloy" fashion, where impurities are introduced indirectly as a modification of the defect-cluster mobilities. The latter simulations are compared to the experimental characterization of the Swedish RPV surveillance samples, and confirm the possibility that solute clusters might form on small interstitial clusters. In conclusion, this work identifies from a solid theoretical perspective the atomic-transport phenomena underlying the formation of embrittling nanofeatures in RPV steels. In addition, it prepares the ground for the development of predictive KMC tools that can simulate the microstructure evolution of a wide variety of irradiated alloys. This is of great interest not only for reactor pressure vessels, but also for many other materials in extreme environments. / <p>QC 20151123</p>

Le travail s'inscrit dans le cadre général de l'étude de la famille LAMOX, dont le prototype est La2Mo2O9, de structure monoclinique à température ambiante (phase ?), et qui présentent au dessus de 580°C une phase cubique (?) ayant une conduction anionique supérieure à la meilleure zircone stabilisée actuellement utilisé comme électrolyte de pile SOFC (Solid Oxid Fuel Cell), et ce à températures plus basses. L'analogie structurale de la forme ?-La2Mo2O9 avec le composé ?-SnWO4 a permis de proposer une explication à l'origine structurale de la conduction dans le molybdate de lanthane. Le remplacement de l'étain divalent par le lanthane trivalent implique un apport d'oxygène et la création de lacunes, qui viennent se substituer à la place de la paire libre E (5s2) de l'étain (Sn2W2O8E2 ? La2Mo2O8+1?). La migration de cet oxygène supplémentaire par la lacune créée engendre l'apparition d'une conduction anionique.Le travail de thèse comporte deux volets :- recherche de nouvelles compositions pouvant présenter la phase conductrice ? à plus basses températures par substitution du molybdène par du soufre et du phosphore, systèmes n'ayant pas jusqu'alors fait l'objet d'investigations avancées ;- étude des propriétés vibrationnelles et dynamiques de ce type structural afin de comprendre le mécanisme de conduction anionique, et notamment l'existence des changements de régimes de conduction observés en fonction de la température.Des phases pures La2Mo2-ySyO9 et La2Mo2-yPyO9-y/2 ont pu être élaborées jusqu'à des teneurs en soufre de 30% (y = 0.6) et de phosphore de 2.5% (y = 0.05). La forme ? recherchée est stabilisée à la température ambiante pour des taux de soufre supérieurs à 5% et de phosphore supérieurs à 1,5%. Des analyses thermogravimétriques ont révélé que la substitution du molybdène par le soufre diminuait fortement la stabilité thermique des phases rendant ainsi leurs caractérisations par diffraction des rayons X et spectroscopie d'impédance délicates. Pour la série La2Mo2-yPyO9-y/2, une ségrégation partielle du phosphore a été mise en évidence par spectroscopie RMN. Les mesures électriques réalisées sur les deux séries d'échantillons ont montré une conductivité significative, mais néanmoins moindre que celle observée à haute température pour le composé parent La2Mo2O9.Le second volet visant à comprendre le mécanisme de conduction repose sur l'étude des propriétés vibrationnelles. Il s'est appuyé sur des études expérimentales par spectrométrie Raman en liaison avec des calculs ab-initio des spectres de phonons. Malgré des raies Raman très larges en raison du désordre structural, il a été possible de mettre en lumière des signatures caractéristiques des différentes phases en lien avec le réarrangement structural. L'interprétation des spectres a été effectuée en s'appuyant sur la parenté structurale avec le composé modèle ordonné ?-SnWO4. Ce système a permis de démontrer un haut degré de fiabilité des calculs ab-initio sur la base de comparaisons à des études expérimentales par Raman polarisé. Ces calculs transposés au cas du sous-réseau ordonné de LaMoO4 ont amenés à une attribution des signaux Raman. Ceci a permis d'une part de démontrer que des structures observées sur des bandes vibrationnelles Raman devaient être attribuées à l'existence de différents environnements atomiques, et d'autre part l'existence de singularités dans les spectres de phonons, lesquelles soutiennent le modèle préalablement proposé de conduction anionique assistée par phonons.

Structure determination of powdered crystals is still not a trivial task. For gas hydrates, the difficulty lies in how to determine the rotational disorder and cage occupancies of the guest molecules without other supporting information or constraints because the complexity of the problem for the powder diffraction technique generally depends on the number of atoms to be located in the asymmetric unit. Here, the crystal structures of gas hydrates of CO2, C2H6, C3H8, and Methylcyclohexane/CH4, as determined by the direct-space and Rietveld techniques are reported. The resultant structures and cage occupancies were consistent with results found from conventional experimental methods using single crystal x-ray diffraction or solid-state 13C-NMR. It was shown that the procedures reported in this study make it possible to determine guest disorder and absolute cage occupancy of gas hydrates even from powder crystal.

La spintronique est un nouveau domaine de recherche qui exploite l'influence de la caractéristique quantique de l'électron (le spin) sur la conduction électrique. Pour réaliser des composants de spintronique innovants, l'obtention des semi-conducteurs ferromagnétiques à température ambiante devenait un challenge international. Dans ce contexte, après les premières prédictions théoriques de la haute température de Curie de Zn1-xCoxO et les rapports contradictoires sur l'état magnétique de ce système, nous nous sommes attaché à étudier le semi-conducteur magnétique dilué Zn1-xCoxO. Une étude ab initio des propriétés structurales, électroniques et magnétiques du Zn1-xCoxO a été effectuée en utilisant la méthode de pseudopotentiels dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) avec les deux approximations GGA et GGA+U. En parallèle, des films minces de Zn1-xCoxO ont été synthétisés par co-pulvérisation cathodique magnétron en condition réactive avec différentes conditions d'élaboration. Les propriétés structurales, morphologiques, électriques et magnétiques ont été analysées par différentes techniques de caractérisation et confrontées à celles obtenues par l'étude ab inito.

Ce travail porte sur l'évaluation des éléments de couplage entre sites magnétiques dans des complexes de transition. Nous discutons tout d'abord de la validité d'un hamiltonien de Heisenberg pour représenter des systèmes à deux électrons célibataires par centre et montrons les avantages d'un nouvel hamiltonien adapté à ce type de système. Sont ensuite présentés les résultats de calculs ab initio aidant à la compréhension du comportement de deux complexes de transition intéressants. Le premier est un complexe moléculaire organique formé autour d'un ion Ni(II) (d8, deux électrons célibataires dans deux orbitales magnétiques) qui a dans sa sphère de coordination deux radicaux nitroxydes (un électron célibataire chacun). Ce complexe a été obtenu sous deux formes cristallines très différentes. Dans la phase alpha, les deux nitroxydes sont équivalents et en position trans par rapport au centre de symétrie occupé par l'ion Ni(II). Dans la phase beta, les nitroxydes ne sont plus équivalents et l'angle "nitroxyde-Ni-nitroxyde" est proche de 90 degrés. Alors que la phase alpha présente des couplages antiferromagnétiques entre le nickel et les deux radicaux, la phase beta présente un couplage antiferromagnétique entre le nickel et l'un des deux nitroxydes tandis que le couplage avec l'autre nitroxyde est ferromagnétique. L'autre système étudié, NaV2O5, est un système cristallin à valence mixte. Il est l'un des deux seuls composés inorganiques pour lesquels une transition de Spin-Peierls a été observée. Cette transition est bien connue théoriquement et a été observée sur des composés organiques où le magnétisme est unidimensionnel. Par contre, elle est beaucoup moins bien connue dans des cas plus complexes de composés inorganiques tels CuGeO3 et NaV2O5. Nous étudions les structures haute température (au-dessus de la transition) et basse température de ce composé. La comparaison entre les résultats permet de mieux comprendre la nature de la transition.