Les diverses perovskites de strontium-fer présentent de très fortes corrélations entre la structurecristalline et les phénomènes d’ordre de lacunes d’oxygènes, de charge, de spin et d’orbitales. Danscette thèse, nous avons réalisé une étude systématique des relations entre les ordres de charges etles ordres de spins selon les différents environnements cristallographiques rencontrés pour lescations Fe3+ et Fe4+ dans la phase Sr4Fe4O11, pour le cation Fe3+ dans les phases Sr3Fe2O6 et Sr2Fe2O10et pour le cation Fe2+ dans la phase SrFeO2. Les synthèses des phases polycristallines furent réaliséesvia des voies « solide » ou « sol-gel » en complément de la synthèse de cristaux préparés à l’aide d’unfour à image à fusion de zone verticale pour les phases Sr4Fe4O11 et Sr2Fe2O10. La qualité cristalline etchimique des oxydes fut contrôlée par diffraction de rayons X sur poudre et spectroscopieMössbauer alors que l’étude de la structure électronique de chaque phase a été réalisée à l’aide despectroscopie d’absorption de rayons X. Finalement, les structures magnétiques des phases Sr3Fe2O6et Sr4Fe4O11 sont aussi présentées. / The relationship of the crystallographic, magnetic, and electronic structure have long been of highinterest in research. Strontium iron oxides have structural, charge, spin, and orbital degrees offreedom, and thus give rich information to study for the condensed matter scientists. In this thesis,we have systematically studied the strontium iron oxides based on the freedom of the iron charge:Fe3+ and Fe4+ mixed valence compound SrFeO2,75 , Fe3+ compound Sr3Fe2O6 and SrFeO2,5 with differentcoordination around Fe3+ and Fe2+ compound SrFeO2. The synthesis of the polycrystalline compoundsare through either solid state reaction or sol-gel method. Single crystals of SrFeO2,75 and SrFeO2,5have been prepared by floating zone furnace. The purity of all the compounds is checked by lab x-raydiffraction and Mössbauer spectroscopy. Electronic structures have been studied by x-ray absorptionspectroscopy for all these compounds. Special efforts have been used to investigate the magneticstructure of SrFeO2,75 and Sr3Fe2O6 .

Les hydrates de gaz sont des cristaux composés de molécules d’eau formant des cages, piégeant des molécules de gaz. A l’état naturel, ces hydrates se forment en présence de mélanges gazeux dans les fonds océaniques et seraient impliqués dans la formation des comètes et des planètes. Comprendre la sélectivité moléculaire et la stabilité des hydrates mixtes (co-incluant plusieurs espèces gazeuses) est primordiale et constitue le coeur de ce travail de doctorat. En s’appuyant sur la spectroscopie Raman et la diffraction des neutrons, complétés de calculs de chimie quantique, les hydrates formés à partir de mélanges de CO, N2 et de CO2 ont été étudiés.Outre leur intérêt astrophysique, ces systèmes permettent d’appréhender l’impact de propriétés physico-chimiques (moment dipolaire,solubilité, adsorption sur la glace) sur la sélectivité.La cinétique de formation et les signatures vibrationnelles des molécules encapsulées dans différents types de cages ontété analysées pour la première fois dans les hydrates purs de CO et de N2. En variant pression et température, une capacité exceptionnelle de diffusion des molécules gazeuses à travers les cages est révélée. La sélectivité moléculaire, la stabilité structurale et l’occupation des cages ont été étudiées dans les hydrates mixtes CO-N2, CO-CO2 et CO2-N2.L’affinité aqueuse et le moment dipolaire des molécules gazeuses pilotent la sélectivité des gaz piégés (encapsulation préférentielle du CO et du CO2). De plus, l’azote joue un rôle de promoteur cinétique des structures formées. Ces résultats fondamentaux ouvrent de nouvelles perspectives tant appliquées (séparation des gaz) que fondamentales (hydrates en milieu naturel). / Gas hydrates are crystalline compounds consisting of water molecules forming cages within which gas molecules are encapsulated. In natural environments, gas hydrates are formed in the presence of gaseous mixtures in the ocean floor and would be involved in the formation of comets and planets. Understanding the molecular selectivity and the stability of mixed hydrates (co-including several gaseous species) is crucial and constitutes the core of this research work. With the help of Raman spectroscopy and neutron diffraction,supplemented by quantum chemistry calculations, hydrates formed from mixtures of CO, N2 and CO2 have been investigated. In addition to their astrophysical interest, these systems offer the opportunity to better understand the impact of physical-chemistry properties (dipolar moment, water solubility,adsorption on ice) on the selectivity.The formation kinetics and the vibrational signatures of the encapsulated molecules in various types of cage have been analyzed in pure CO and N2 hydrates for the first time. By varying pressure and temperature, the gaseous molecules exhibit an exceptional ability for diffusing through the cages. Molecular selectivity, structural stability and cage occupancy have been studied in the mixed hydrates CO-N2, CO-CO2 and CO2-N2. The aqueous affinity and the dipolar moment of the gas molecules trigger the selectivity of the trapped gases (preferential encapsulation of COand CO2). In addition, the nitrogen molecule acts as a kinetic promoter of the formed structure. These fundamental results open new opportunities on both applied (gas separation)and fundamental (hydrates in natural environment) aspects.

Ce travail est consacré à la synthèse et à la caractérisation de composés chalcogénures. Pour la plupart nouveaux, ces composés ont la particularité de présenter des structures complexes ou dont le désordre amène une certaine complexité. La première partie de ce manuscrit est consacré à l’étude du nouveau composé monocristallin Ba0,5Cr5Se8 et de la solution solide polycristalline BaxCr5Se8 (0,5 ≤ x ≤ 0,55). Ce composé fait partie de la famille des pseudo-hollandites. Sa structure cristalline a été déterminée par diffraction des rayons X sur monocristal, un abaissement de la symétrie est observé par rapport aux pseudo-hollandites usuelles. Ces composés sont antiferromagnétiques avec une température de transition unique à 58 K, la structure magnétique du composé a été déterminée par diffraction des neutrons sur échantillon polycristallin, et sa maille magnétique correspond à une maille cristalline doublée selon b et c. Les propriétés thermoélectriques des composés sont étudiées, Ba0.5Cr5Se8 présente une ZT de 0,12 à 800 K. La deuxième partie s’est d’abord focalisée sur une structure similaire à la précédente, TlIn5Se8. Toutefois trop résistif, les structures de deux nouveaux composés ont été étudiées : TlIn4,8Cr0,2Se8 et Tl0,98In13,12Se16,3Te2,7. Ce dernier présente sur certains sites un désordre considéré statique. Finalement, le dernier chapitre a permis de mettre en avant des composés de la famille de composé lamellaire MnPSe3, ayant la particularité de présenter une paire P2. La structure du nouveau composé In2Ge2Te6 est résolue et les propriétés thermoélectriques des composés InSiTe3, Cr2Si2Te6, Cr2Ge2Te6 et In2Ge2Te6 sont étudiées. Des défauts d’empilement ont été mis en lumière et expliquent l’impact sur le libre parcours moyen des phonons. L’ensemble des composés dont les propriétés thermoélectriques ont été étudiées présentent des conductivités thermiques faibles, bien en deçà du W.m-1.K-1 dans de nombreux cas. Des ZTs de 0,18 à 673 K et 0,43 à 773 K sont trouvées pour In2Ge2Te6 et Cr2Ge2Te6. / This work has been focused on synthetizing and characterising chalcogenide compounds. Most new, those compounds show complex structures or where disorder bring complexity. The first part of this manuscript is dedicated to the study of the new single-cristalline Ba0.5Cr5Se8 and of the related polycristalline solid-solution BaxCr5Se8 (0.5 ≤ x ≤ 0.55). This compound is part of the pseudo-hollandite family. Its cristalline structure has been resolved by means of single-crystal X-ray diffraction, a lowering of symetryis observed compared to usual pseudo-hollandites. All antiferromagnetic, the compounds exhibit a transition at 58 K, the magnetic structure has been resolved using neutron diffraction on polycrystal and is twice the cristalline one along b and c. Thermoelectric properties of the compounds have been studied and a maximum ZT of 0.12 is observed at 800 K for Ba0.5Cr5Se8. The second section has first focused on a similar structure to the previous one, TlIn5Se8. Although too resistive to be interesting, two new compounds have been studied: TlIn4.8Cr0.2Se8 and Tl0.98In13.12Se16.3Te2.7. The latter quaternary exhibits static disorder on specific crystallographic sites. The last chapter highlights compounds from the lamellar compound MnPSe3 family, with the particularity to possess P2 pairs. The structure of the new In2Ge2Te6 has been resolved and thermoelectric properties of the InSiTe3, Cr2Si2Te6, Cr2Ge2Te6 and In2Ge2Te6 have been studied. Stacking faults were observed in In2Ge2Te6 and explain the impact on the phonon mean free path. All the compounds whose thermoelectric properties have been studied exhibit low thermal conductivity, below 1 W.m-1.K-1 for most of them. ZTs of 0.18 at 673 K and 0.43 at 773 K were found for In2Ge2Te6 and Cr2Ge2Te6.

Dans le cadre d'un projet de transport automobile propre pour la mise en place de véhicules électriques décarbonés grand public, les aimants représentent un enjeu important au niveau des moteurs électriques. Il est alors nécessaire de se passer des aimants à base de terres rares, peu écologiques et dont un seul pays détient le monopole. Deux voies sont explorées ici : la nanostructuration des hexaferrites de type M par frittage flash de type SPS (Spark Plasma Sintering), et la synthèse d'alliages Mn-Al-C par la méthode de la trempe rapide sur roue. Concernant le premier matériau, l'optimisation du protocole de synthèse a permis d'augmenter le champ coercitif d'un facteur 2. Deux outils de caractérisation des aimants ont été mis en place : le premier évalue la texture du matériau (modèle de Stoner et Wohlfarth), le second étudie les processus d'aimantation (Preisach). Pour les alliages Mn-Al-C, nous avons pu démontrer la présence d'un couplage antiferromagnétique entre les atomes de Mn des sites 1a et 1d. La diffraction de neutrons à également pu montrer que le moment magnétique du Mn du site 1d est par ailleurs très supérieur à celui du site 1a. Un broyage cryogénique suivi d'un frittage SPS à haute pression (400 MPa) a permis d'augmenter la valeur du champ coercitif de 40 %. Les résultats obtenus sont très prometteurs quant à la faisabilité d'alternatives aux aimants à base de terres rares. / In the context of green car development for mass market, development of low cost rare-earth-free magnets is clearly a milestone, because the rare-earth are expensive and their production is not ecological and a monopoly of one country. Two routes are explored herein : nanostructuration of M-type hexaferrites by flash sintering (Spark Plasma Sintering), and the synthesis of Mn-Al-C alloys by melt spinning. Concerning the first material, the optimization of the synthesis protocol allowed to increase the coercive field by a factor of 2. Two characterization tools of the magnets were set-up : the first evaluates the texture of the material (Stoner and Wohlfarth model), the second, based on Preisach model, is used to infer the magnetization processes. For Mn-Al-C alloys, we have evidenced from Weiss plots the antiferromagnetic coupling between 1a and 1d-sites Mn atoms. Neutron diffraction confirmed this result and shown that the magnetic moment of the 1d-site Mn is also much larger than that of 1a-site. Cryogenic ball milling followed by high-pressure SPS (400 MPa) increased the coercive field by 40 %. The results obtained are very promising as to the feasibility of alternatives to rare-earth magnets.

Nous avons développé un modèle et un programme d'affinement joint des densités de charge et spin. Lors des premiers tests plusieurs difficultés sont apparues et ont été étudiées puis résolues notamment par la mise en place de contraintes. Après la mise en place d'un programme stable d'affinement joint nous avons testé celui-ci sur le complexe MnCu(pba)...(H2O)3...2H2O, ou pba représente le 1,3-propylenbis(oxamato) en réutilisant les données provenant d'une expérience de diffraction de neutrons polarisés et en effectuant une nouvelle expérience de diffraction des rayons X à 10K, température à laquelle l'expérience de diffraction des neutrons polarisés a été conduite. Cette étude a permis de tester trois schémas de pondération, ainsi que les contraintes. Ces tests ont montré que l'affinement joint permet de retrouver les résultats des différents affinements séparés mais aussi d'aller plus loin en autorisant un affinement de la densité de spin avec plus de paramètres pertinents. Suite à ces premiers tests nous nous sommes intéressés à un complexe azido cuivre (Cu2L2(N3)2 avec L=1,1,1-trifluoro-7-(dimethylamino)-4-méthyle-5-aza-3-heptène-2-onato). L'affinement joint a permis d'avoir accès, pour la première fois, à la densité de valence expérimentale résolue en spin et d'affiner également des paramètres de contraction/dilatation différents pour la valence avec un spin up ou un spin down. Dans le dernier chapitre nous avons étudié un complexe de cobalt qui présentait des propriétés magnétiques intéressantes. Cependant la particularité magnétique du composé venant d'une forte anisotropie magnétique a rendu l'étude par affinement joint délicate dans un premier temps, c'est pourquoi nous avons étudié ce composé uniquement d'un point de vue de la densité de charge. Cette étude a tout de même permis de mettre en évidence expérimentalement à 100K un angle de torsion de 39° entre les axes principaux des atomes de cobalt, prédit par la théorie / We developed a model and a refinement program for charge and spin densities. During the first tests several difficulties have arisen and have been investigated and solved by implementation of constraints. After the establishment of stable joint refinement program, we tested it on the MnCu(pba)...(H2O)3...2H2O, with pba = 1,3-propylenbis(oxamato) complex reusing data from an experiment of polarized neutron diffraction and making a new experience of X-ray diffraction at 10K. This study tested three weighting schemes and constraints. These tests showed that the joint refinement give access to the same results as the separated refinements but also allow us to go further by refining the spin density with more pertinent parameters. Following these initial tests, we were interested in a copper azido complex (Cu2L2(N3)2 with L=1,1,1-trifluoro-7-(dimethylamino)-4-methyl-5-aza-3-hepten-2-onato). The joint refinement give us access for the first time to the experimental spin-resolved valence density and also to refine the parameters of contraction / expansion for spin up or spin down separately. In the last chapter we studied a cobalt complex which shows interesting magnetic properties. However, the magnetic properties of the compound come from a high magnetic anisotropy which complicates a study by joint refinement. That is why we studied only the charge density of this compound. This study still allowed to show experimentally a torsion angle of 39° between the principal axes of the cobalt atoms, which was predicted by a previous theoretical study

Les travaux portent sur deux nuances d’alliages Ni-Cr-W, l’une contenant des précipités de W (EM722) et l’autre non (EM721). Les matériaux forgés, fournis par Aubert & Duval, présentaient des microstructures hétérogènes avec de très gros grains. Dans un premier temps, une procédure thermomécanique a été développée afin d’obtenir un état de référence avec une microstructure homogène avec une faible taille de grains et une texture relativement peu accusée. A partir de cet état de référence, l’évolution de la texture, au cours du laminage à froid (différents taux de réduction), a été analysée par diffraction des neutrons et a montré un renforcement de la texture de type Laiton. Les mécanismes de déformation ont été étudiés en microscopie électronique en transmission et par EBSD (Electron BackScatter Diffraction) afin de comprendre la formation de ce type de texture. Les bandes de cisaillement sont supposées être un facteur important pour la formation de ce type de texture. A partir des états déformés, la cinétique de recristallisation a été déterminée pour deux températures (700°C et 900°C) à partir de mesures de microdureté et par EBSD. Les mécanismes de recristallisation ont été étudiés par MET. Le mécanisme de SIBM (Strain Induced grain Boundary Migration) est le mécanisme prépondérant pour la nuance EM721. Pour l’autre nuance, EM722, possédant des précipités de W, le mécanisme de SIBM est présent, mais en plus, un second mécanisme de PSN (Particle Stimulated Nucleation) a été mis en évidence. De plus, quel que soit le mécanisme de recristallisation, une fois que les germes sont formés, ils maclent très rapidement. Par conséquent, une étude complémentaire sur l’évolution des joints de macle pendant la recristallisation primaire a été réalisée, en employant l’EBSD et surtout le système ASTAR installé dans un MET. Il a alors été montré que cette évolution dépend à la fois de la taille des grains et de l’énergie stockée par les grains pendant la déformation. Enfin, une simulation de la recristallisation primaire de type Monte-Carlo a également été mise en œuvre. Son originalité réside notamment dans sa capacité à rendre compte de la formation des joints de macles cohérents et rectilignes. / This work focuses on two grades of Ni-Cr-W alloys, one containing W precipitates (EM722) and the other not (EM721). The forged materials, provided by Aubert & Duval, had heterogeneous microstructures with very large grains. At first, a thermo-mechanical procedure was developed to obtain a reference state with a homogeneous microstructure with a small grain size and a texture relatively weak. From this reference state, the texture evolution during cold rolling (different reduction rates), was analyzed from neutron diffraction measurements and showed the strengthening of the Brass-type texture. The deformation mechanisms were studied by TEM (transmission electron microscopy) and EBSD (Electron Backscatter Diffraction) to understand the formation of this type of texture. The formation of shear bands is assumed to be the most important factor for the formation of such a texture. From the deformed states, the recrystallization kinetics was determined for two temperatures (700°C and 900°C) from micro-hardness and EBSD measurements. The recrystallization mechanisms were investigated by TEM. The SIBM (Strain Induced Grain Boundary Migration) mechanism is the predominant mechanism for the EM721 material. For the other one (EM722), which has W precipitates, the SIBM mechanism is present, but a second one (PSN: Particle Stimulated Nucleation) has also been evidenced. Furthermore, regardless of the mechanism of recrystallization, once the nuclei are formed, they twin quickly. Therefore, a further study on the evolution of twin boundaries during primary recrystallization was performed, using EBSD and especially the ASTAR system installed in a TEM. It has been shown that the twin development depends both on the grain size and the stored energy during the deformation. Finally, a Monte Carlo simulation of the primary recrystallization was also implemented. Its originality lies especially on its ability to create coherent and straight twin boundaries.

Après la découverte des réactions hétérogènes gaz/glace mises en jeu dans la destruction de l'ozone stratosphérique, beaucoup d'études concernant l'adsorption de HCl sur la glace ont été menées. Dans ce travail, on analyse l'influence de l'adsorption de HCl sur la structure et la dynamique de films de glace supportés. La structure de la monocouche (MC) d'eau adsorbée sur MgO(001) est étudiée par analyse dynamique des intensités DEL sur monocristal et par Diffraction de Neutrons sur poudre homogène. Le meilleur accord expérience-théorie est obtenu avec une structure p(3x2) dans laquelle les molécules d'eau sont délocalisées des sites d'adsorption Mg. La dynamique et la structure de films plus épais, adsorbés sur poudres de MgO, sont déterminées par diffraction et Diffusion Quasi-Elastique de Neutrons. La coexistence de la monocouche p(3x2) et d'une phase 3D (glace Ih à basse température, liquide à 273K) est observée. Le substrat provoque une anisotropie de croissance des cristallites de glace. La DQEN corrélée à des calculs de Dynamique Moléculaire montre qu'une couche quasi-liquide apparaît à la surface de la glace à 265K. Nous analysons ensuite l'interaction HCl/glace. HCl détruit de manière irréversible la symétrie (3x2) de la monocouche. Pour les films plus épais, la structure et la dynamique des films de glace sont également modifiées en fonction de la température et du degré de recouvrement en HCl. On observe à 220K la coexistence de la glace Ih avec le dihydrate de chlore. A 250K on montre l'apparition d'un film quasi-liquide pour 0,3 et 0,6 MC de HCl. La mobilité décroît pour 1 MC, le film devient complètement amorphe. Les implications pour la chimie atmosphérique sont discutées. Enfin, des études préliminaires concernant l'adsorption de l'eau sur BaF2(111) sont réalisées. Elles montrent que c'est un bon substrat monocristallin pour la croissance épitaxiale de films épais de glace.

Les matériaux d'électrode positive pour batteries lithium-ion : O3-LiNi0.30Co0.70O2 et O2-LiCoO2 (préparé par chimie- douce), ainsi que des matériaux obtenus après désintercalation électrochimique ont été caractérisés par DRX, RMN, mesures de conductivité électrique et de pouvoir thermoélectrique. Des processus redox complexes et/ou des changements structuraux interviennent lors de la désintercalation du lithium. Grâce à l'exploitation des interactions hyperfines, la RMN permet de caractériser l'environnement local du lithium dans ces phases: présence de défauts, distribution de cations praramagnétiques (nature et/ou degré d'oxydation), présence d'électrons localisés ou itinérants...et détudier les processus redox liés à la désintercalation du lithium. En parallèle, des calculs ab initio ont permis de mieux comprendre les propriétés structurales et physiques des matériaux étudiés.

Les travaux portent sur deux nuances d'alliages Ni-Cr-W, l'une contenant des précipités de W (EM722) et l'autre non (EM721). Les matériaux forgés, fournis par Aubert & Duval, présentaient des microstructures hétérogènes avec de très gros grains. Dans un premier temps, une procédure thermomécanique a été développée afin d'obtenir un état de référence avec une microstructure homogène avec une faible taille de grains et une texture relativement peu accusée. A partir de cet état de référence, l'évolution de la texture, au cours du laminage à froid (différents taux de réduction), a été analysée par diffraction des neutrons et a montré un renforcement de la texture de type Laiton. Les mécanismes de déformation ont été étudiés en microscopie électronique en transmission et par EBSD (Electron BackScatter Diffraction) afin de comprendre la formation de ce type de texture. Les bandes de cisaillement sont supposées être un facteur important pour la formation de ce type de texture. A partir des états déformés, la cinétique de recristallisation a été déterminée pour deux températures (700°C et 900°C) à partir de mesures de microdureté et par EBSD. Les mécanismes de recristallisation ont été étudiés par MET. Le mécanisme de SIBM (Strain Induced grain Boundary Migration) est le mécanisme prépondérant pour la nuance EM721. Pour l'autre nuance, EM722, possédant des précipités de W, le mécanisme de SIBM est présent, mais en plus, un second mécanisme de PSN (Particle Stimulated Nucleation) a été mis en évidence. De plus, quel que soit le mécanisme de recristallisation, une fois que les germes sont formés, ils maclent très rapidement. Par conséquent, une étude complémentaire sur l'évolution des joints de macle pendant la recristallisation primaire a été réalisée, en employant l'EBSD et surtout le système ASTAR installé dans un MET. Il a alors été montré que cette évolution dépend à la fois de la taille des grains et de l'énergie stockée par les grains pendant la déformation. Enfin, une simulation de la recristallisation primaire de type Monte-Carlo a également été mise en œuvre. Son originalité réside notamment dans sa capacité à rendre compte de la formation des joints de macles cohérents et rectilignes.

La réfrigération magnétique à température ambiante, une alternative à la réfrigération classique, nécessite des matériaux magnétocaloriques performants. L'effet magnétocalorique se traduit par une variation d'entropie et une variation de température du matériau lorsqu'il est soumis à un champ magnétique. Les composées de type LaFe13-xSix présentent des atouts intéressants. Nous avons tout d'abord exploré cette famille de composé. Par substitutions chimiques et par insertion d'éléments interstitiels, nous avons étudié plusieurs compositions dont celles de type LaFe13-x-yCoySix et les hydrures LaFe13-xSixHy qui se sont révélées être les plus prometteuses. Les caractérisations structurales, microstructurales, thermiques et magnétiques entreprises nous ont guidés dans l'optimisation des méthodes d'élaboration : fusion à arc ou induction, des traitements thermiques, du contrôle de la stœchiométrie, etc. Dans un second temps nous avons développé la mise au point de ces matériaux à plus grande échelle en collaboration avec des partenaires industriels.