The development of efficient, high-performance materials for electrical energy storage and conversion applications has become a must to meet an ever-increasing need for electrical energy. Among devices developed for this purpose, capacitors have been used for pulsed power applications that require large power density with millisecond-scale charge and discharge. However, conventional polymeric films, which possess high breakdown strength, are limited due to low permittivity and hence compromise the energy storage capability of capacitors. In order to develop high energy density dielectric materials for pulsed power applications, two hurdles must be overcome: 1) the appropriate selection of materials that possess not only large permittivity but also high breakdown strength, 2) the optimization of material processing to improve morphology of dielectric films to minimize loss during energy extraction process. This thesis will present the development of novel dielectric material, with emphasis on the optimization of material and thin film processing toward improved morphology as ways to achieve high energy density at the material level. After first two chapters of introduction and experimental details, Chapter 3 will demonstrate the improvement of nanocomposite morphology via processing optimization and study its effect on the energy storage characteristics of nanocomposites thereof. Chapter 4 will investigate dielectric sol-gel materials containing dipolar cyano side groups, which are relatively a new class of material for pulsed power applications. Finally, Chapter 5 will discuss the effect of tunneling barrier layer on sol-gel films to mitigate charge carrier injection and associated conduction and breakdown phenomena, which would be significantly detrimental to the energy storage performance of dielectric sol-gel films.

Aluminium alloys are widely used in the aerospace industry due to their lightweight and high specific strength. However, these alloys are particularly sensitive to localized corrosion in chloride environments and need to be protected by a robust system. One of the protection methodologies consists in anodizing. The produced layer increases the corrosion resistance and also serves as anchoring site for organic coatings application. Chromium-based anodizing has been usually employed, nevertheless, as chromate compounds are toxic for health and the environment, chromium-based surface treatments will be prohibited in the aerospace industry in a near future. Tartaric-sulphuric acid (TSA) anodizing is a promising environment compliant alternative, which is already being used at industrial level with appropriate corrosion protection and paint adhesion properties. This study aims at proposing a hybrid sol-gel treatment after TSA anodizing of AA2524 specimens in order to improve the corrosion resistance of the anodized layer while maintaining its compatibility with organic coatings. For this, anodic aluminium oxides (AAO) were produced at different anodizing voltages and protected by dip-coating with a hybrid sol-gel layer obtained from a tetraethoxysilane (TEOS) and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) hydrolysis solution with high water content. Corrosion resistance evaluation was carried out by means of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in NaCl 0.1 mol L-1 and salt-spray chamber exposure (ASTM B117-11 standard). The morphology of the anodic porous layer was investigated by means of FE-SEM, whereas glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES) was employed to evaluate the distribution of the sol-gel layer within the porous AAO. FE-SEM characterization confirmed that the layer properties (pore distribution, porosity and thickness) were strongly dependent on the anodizing conditions, whereas GDOES depth profile showed penetration of the hybrid coating within the pores of the anodized layer. The two characterization techniques showed inefficient surface sol-gel coverage for the samples anodized at higher voltage, likely due to insufficient sol-gel deposition. The results of the EIS characterization tests up to 1008 h (42 days) showed that, irrespectively to the anodizing voltage, the hybrid sol-gel protected AAO was stable with only slight evolution of the diagrams with immersion time. Moreover, the hybrid coating protected samples presented higher low frequency impedance modulus than hydrothermally sealed (HTSed) reference TSA anodized samples, which was confirmed by electrical equivalent circuit (EEC) fitting of the EIS data. EEC fitting also revealed that the resistance of the pores to electrolyte penetration was increased by the application of the sol-gel coating when compared to the resistance of the HTSed reference samples and indicated better anticorrosion performance for the sample anodized at 16 V. These results were confirmed by the salt-spray tests. Investigation on the ageing of the hybrid sol-gel hydrolysis solution showed that its viscosity hardly changed up to two weeks of test and that hybrid coatings applied from these solutions were stable and afforded good corrosion protection to the TSA anodized substrate, an improvement of the anticorrosion properties of the hybrid coating was verified for an ageing time of 168 h. Preliminary tests performed with a solvent-free organic coating (epoxy) indicated good compatibility with the hybrid TEOS-GPTMS coating characterized by very high impedance and good stability upon exposure to the salt-spray chamber. / Ligas de alumínio são muito utilizadas na indústria aeronáutica por serem materiais leves e altamente resistentes. Porém, essas ligas são particularmente sensíveis à corrosão localizada em meios que contêm cloretos, e precisam de sistemas robustos de proteção. Uma das metodologias de proteção consiste em anodização. A camada produzida aumenta a resistência à corrosão e também serve como sítio de ancoragem para aplicação de revestimentos orgânicos. A anodização crômica tem sido usualmente empregada na indústria aeronáutica. No entanto, como compostos contendo íons cromato são tóxicos para a saúde e para o meio-ambiente, tratamentos de superfície à base de cromo serão proibidos na indústria espacial em um futuro próximo. Anodização em banho de ácido sulfúrico-tartárico (TSA) é uma alternativa promissora e ambientalmente compatível, a qual já está sendo usada industrialmente com apropriada proteção à corrosão e adesão para pintura. Este estudo tem como objetivo propor um tratamento utilizando um revestimento híbrido sol-gel para melhorar a resistência à corrosão da liga AA2524 anodizada em TSA e que mantenha sua compatibilidade com revestimentos orgânicos. Para isso, camadas anodizadas de alumínio (CAA) foram produzidas em diferentes voltagens e protegidas por camada de híbrido sol-gel obtida pela hidrólise de tetraetilortosilano (TEOS) e glicidóxipropiltrimetóxisilano (GPTMS) em solução com alto teor de água e aplicada pela técnica de dip-coating. A avaliação da resistência à corrosão foi realizada através de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) em NaCl 0,1 mol.L-1 e por exposição à câmara de névoa salina (norma ASTM B117-11). A morfologia da camada porosa foi investigada por MEV e a espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente (GDOES) foi empregada para avaliar a distribuição do híbrido sol-gel no interior dos poros da camada porosa. As caracterizações por MEV confirmaram que as propriedades da camada (distribuição dos poros, porosidade e espessura) são fortemente dependentes das condições de anodização, e a composição em profundidade obtida por GDOES mostrou que o revestimento híbrido penetrou nos poros da camada anodizada. As duas técnicas de caracterização mostraram uma cobertura ineficiente da camada sol-gel para as amostras anodizadas nas voltagens mais elevadas, provavelmente devido à deposição insuficiente do híbrido. Os testes de EIS com duração de até 1008 h (42 dias) mostraram que, independentemente da voltagem de anodização empregada, a camada anódica coberta com sol-gel ficou estável ocorrendo apenas pequenas evoluções dos diagramas com o tempo de imersão. Além do mais, as amostras protegidas com o revestimento híbrido apresentaram maiores valores de módulo de impedância em baixa frequência do que as amostras anodizadas em TSA e hidrotermicamente seladas (HTsed) usadas como referências. Essa tendência foi confirmada pelo ajuste com circuitos elétricos equivalentes (EEC) dos resultados de EIS que também mostrou que a aplicação do sol-gel híbrido torna mais difícil a penetração do eletrólito agressivo nos poros da camada anodizada quando comparada com as amostras HTSed, e indicou melhor desempenho anticorrosivo para a amostra anodizada em 16 V. Esses resultados foram confirmados pelos testes de névoa salina. A investigação do envelhecimento da solução de sol-gel mostrou pouca mudança na viscosidade da solução de hidrólise em duas semanas de testes e que os revestimentos híbridos aplicados a partir dessas soluções foram estáveis e promoveram boa proteção à corrosão para as amostras anodizadas em TSA, com melhora das propriedades anticorrosivas após 168 h de envelhecimento. Testes preliminares realizados com revestimento orgânico livre de solvente (epóxi) indicaram boa compatibilidade deste com o revestimento híbrido TEOS-GPTMS. O revestimento epóxi propiciou valores de módulo de impedância elevados e estáveis e também boa estabilidade após exposição à câmara de névoa salina quando aplicado sobre o revestimento híbrido aplicado sobre a liga 2524.

Aluminium alloys are widely used in the aerospace industry due to their lightweight and high specific strength. However, these alloys are particularly sensitive to localized corrosion in chloride environments and need to be protected by a robust system. One of the protection methodologies consists in anodizing. The produced layer increases the corrosion resistance and also serves as anchoring site for organic coatings application. Chromium-based anodizing has been usually employed, nevertheless, as chromate compounds are toxic for health and the environment, chromium-based surface treatments will be prohibited in the aerospace industry in a near future. Tartaric-sulphuric acid (TSA) anodizing is a promising environment compliant alternative, which is already being used at industrial level with appropriate corrosion protection and paint adhesion properties. This study aims at proposing a hybrid sol-gel treatment after TSA anodizing of AA2524 specimens in order to improve the corrosion resistance of the anodized layer while maintaining its compatibility with organic coatings. For this, anodic aluminium oxides (AAO) were produced at different anodizing voltages and protected by dip-coating with a hybrid sol-gel layer obtained from a tetraethoxysilane (TEOS) and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) hydrolysis solution with high water content. Corrosion resistance evaluation was carried out by means of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in NaCl 0.1 mol L-1 and salt-spray chamber exposure (ASTM B117-11 standard). The morphology of the anodic porous layer was investigated by means of FE-SEM, whereas glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES) was employed to evaluate the distribution of the sol-gel layer within the porous AAO. FE-SEM characterization confirmed that the layer properties (pore distribution, porosity and thickness) were strongly dependent on the anodizing conditions, whereas GDOES depth profile showed penetration of the hybrid coating within the pores of the anodized layer. The two characterization techniques showed inefficient surface sol-gel coverage for the samples anodized at higher voltage, likely due to insufficient sol-gel deposition. The results of the EIS characterization tests up to 1008 h (42 days) showed that, irrespectively to the anodizing voltage, the hybrid sol-gel protected AAO was stable with only slight evolution of the diagrams with immersion time. Moreover, the hybrid coating protected samples presented higher low frequency impedance modulus than hydrothermally sealed (HTSed) reference TSA anodized samples, which was confirmed by electrical equivalent circuit (EEC) fitting of the EIS data. EEC fitting also revealed that the resistance of the pores to electrolyte penetration was increased by the application of the sol-gel coating when compared to the resistance of the HTSed reference samples and indicated better anticorrosion performance for the sample anodized at 16 V. These results were confirmed by the salt-spray tests. Investigation on the ageing of the hybrid sol-gel hydrolysis solution showed that its viscosity hardly changed up to two weeks of test and that hybrid coatings applied from these solutions were stable and afforded good corrosion protection to the TSA anodized substrate, an improvement of the anticorrosion properties of the hybrid coating was verified for an ageing time of 168 h. Preliminary tests performed with a solvent-free organic coating (epoxy) indicated good compatibility with the hybrid TEOS-GPTMS coating characterized by very high impedance and good stability upon exposure to the salt-spray chamber. / Ligas de alumínio são muito utilizadas na indústria aeronáutica por serem materiais leves e altamente resistentes. Porém, essas ligas são particularmente sensíveis à corrosão localizada em meios que contêm cloretos, e precisam de sistemas robustos de proteção. Uma das metodologias de proteção consiste em anodização. A camada produzida aumenta a resistência à corrosão e também serve como sítio de ancoragem para aplicação de revestimentos orgânicos. A anodização crômica tem sido usualmente empregada na indústria aeronáutica. No entanto, como compostos contendo íons cromato são tóxicos para a saúde e para o meio-ambiente, tratamentos de superfície à base de cromo serão proibidos na indústria espacial em um futuro próximo. Anodização em banho de ácido sulfúrico-tartárico (TSA) é uma alternativa promissora e ambientalmente compatível, a qual já está sendo usada industrialmente com apropriada proteção à corrosão e adesão para pintura. Este estudo tem como objetivo propor um tratamento utilizando um revestimento híbrido sol-gel para melhorar a resistência à corrosão da liga AA2524 anodizada em TSA e que mantenha sua compatibilidade com revestimentos orgânicos. Para isso, camadas anodizadas de alumínio (CAA) foram produzidas em diferentes voltagens e protegidas por camada de híbrido sol-gel obtida pela hidrólise de tetraetilortosilano (TEOS) e glicidóxipropiltrimetóxisilano (GPTMS) em solução com alto teor de água e aplicada pela técnica de dip-coating. A avaliação da resistência à corrosão foi realizada através de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) em NaCl 0,1 mol.L-1 e por exposição à câmara de névoa salina (norma ASTM B117-11). A morfologia da camada porosa foi investigada por MEV e a espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente (GDOES) foi empregada para avaliar a distribuição do híbrido sol-gel no interior dos poros da camada porosa. As caracterizações por MEV confirmaram que as propriedades da camada (distribuição dos poros, porosidade e espessura) são fortemente dependentes das condições de anodização, e a composição em profundidade obtida por GDOES mostrou que o revestimento híbrido penetrou nos poros da camada anodizada. As duas técnicas de caracterização mostraram uma cobertura ineficiente da camada sol-gel para as amostras anodizadas nas voltagens mais elevadas, provavelmente devido à deposição insuficiente do híbrido. Os testes de EIS com duração de até 1008 h (42 dias) mostraram que, independentemente da voltagem de anodização empregada, a camada anódica coberta com sol-gel ficou estável ocorrendo apenas pequenas evoluções dos diagramas com o tempo de imersão. Além do mais, as amostras protegidas com o revestimento híbrido apresentaram maiores valores de módulo de impedância em baixa frequência do que as amostras anodizadas em TSA e hidrotermicamente seladas (HTsed) usadas como referências. Essa tendência foi confirmada pelo ajuste com circuitos elétricos equivalentes (EEC) dos resultados de EIS que também mostrou que a aplicação do sol-gel híbrido torna mais difícil a penetração do eletrólito agressivo nos poros da camada anodizada quando comparada com as amostras HTSed, e indicou melhor desempenho anticorrosivo para a amostra anodizada em 16 V. Esses resultados foram confirmados pelos testes de névoa salina. A investigação do envelhecimento da solução de sol-gel mostrou pouca mudança na viscosidade da solução de hidrólise em duas semanas de testes e que os revestimentos híbridos aplicados a partir dessas soluções foram estáveis e promoveram boa proteção à corrosão para as amostras anodizadas em TSA, com melhora das propriedades anticorrosivas após 168 h de envelhecimento. Testes preliminares realizados com revestimento orgânico livre de solvente (epóxi) indicaram boa compatibilidade deste com o revestimento híbrido TEOS-GPTMS. O revestimento epóxi propiciou valores de módulo de impedância elevados e estáveis e também boa estabilidade após exposição à câmara de névoa salina quando aplicado sobre o revestimento híbrido aplicado sobre a liga 2524.

L’objectif principal de ce travail de thèse est de formuler un matériau nanocomposite doté de propriétés magnéto-optiques (MO) et photostructurable pour, in fine, réaliser des dispositifs optiques non-réciproques pouvant être intégrés au sein de puces optiques. Le matériau nanocomposite MO est obtenu en dispersant des nanoparticules magnétiques (NP) de ferrite de cobalt dans une matrice sol-gel d’alcoxydes de silicium et de titane. Les NP confèrent au matériau ses propriétés MO. La formulation du matériau est photostructurable en UV profond (193, 266 nm) sans ajout de photoamorceur et se comporte comme une photo-résine négative. La formulation est flexible en termes de ratio molaire Si/Ti et de dopage en NP pouvant atteindre 20 %vol. La photochimie du matériau en films minces a été étudiée par ellipsométrie spectroscopique, FTIR et spectroscopie UV-visible. Les techniques de photolithographies UV interférométriques et par masques binaires ont permis de réaliser des réseaux périodiques de lignes bien définis et couvrant une large gamme de périodes, de 500 nm à 100 µm. Les propriétés optiques et MO (rotation Faraday) du matériau ont été étudiées. En couches minces, l’indice de réfraction peut être modulé entre 1,4 et 1,7 selon la composition du matériau. Il a été établi que l’ensemble des NP introduites dans le matériau contribuent à la rotation Faraday. Des dispositifs microstructurés ont été réalisés en espace libre et en configuration guidée en se basant sur les dimensionnements opto-géométriques déterminés par des simulations optiques et MO. Leurs caractérisations démontrent l’intérêt de ce matériau et son caractère prometteur pour réaliser des dispositifs intégrés. / The main objective of this PhD work is to formulate a nanocomposite material with magneto-optical (MO) properties which is also photostructurable, in order to ultimately create non-reciprocal optical devices that can be integrated into optical chips. The nanocomposite MO material is obtained by homogenously dispersing magnetic nanoparticles (NP) of cobalt ferrite in a sol-gel matrix based on silicon and titanium alkoxides. NP confer the material its MO properties. The material is photostructurable with deep UV wavelengths (193, 266 nm) without any addition of photoinitiator and behaves like a negative photoresist. The formulation is versatile in terms of Si/Ti molar ratio and NP doping, up to 20 %vol. The photochemistry of this material as thin films has been studied by spectroscopic ellipsometry, FTIR and UV-visible spectroscopy. UV photolithography techniques using interferometry setups and binary masks have achieved well-defined periodic lines patterns over a wide range of periods, from 500 nm to 100 microns. The optical and MO (Faraday rotation) properties of the material were studied. In thin layers, the refractive index can be modulated between 1.4 and 1.7 depending on the Si/Ti material stoichiometry and its NP doping. It has been established that all the NP introduced in the material contribute to the Faraday rotation. Micro-structured devices in free space and in guided configuration have been realized using the opto-geometrical features determined using optical and MO simulations. Their characterizations demonstrate the high interest of this material and clearly show its promising character to realize integrated devices.