Ce travail de thèse a porté sur l'étude de structures à cascade quantique dans le régime de l'effet Hall quantique. Deux types d'hétérostructures semi-conductrices ont été étudiés : une structure émettrice térahertz et une structure détectrice moyen infrarouge. Dans le premier cas, une mise en évidence claire de l'émission cyclotron a pu être démontrée grâce à la quantification de Landau résultant de l'application d'un champ magnétique perpendiculaire aux couches d'une structure à multi-puits quantiques. Cette étude a permis de réaliser un composant électroluminescent accordable en champ magnétique et émettant directement par la surface. Le mécanisme de diffusion responsable de cette émission est l'interaction électron-électron, un mécanisme de type Auger à Ncorps. Le champ magnétique sert dans ce cas de paramètre extérieur pour créer de nouveaux états électroniques permettant d'observer de l'émission lumineuse non-conventionnelle. L'étude d'un détecteur à cascade quantique à 8 m a été réalisée dans l'obscurité et sous illumination. Les chemins électroniques ont pu être identifiés dans les deux cas. Un modèle de photocourant ainsi que le calcul du temps de vie en fonction du champ magnétique de l'interaction électron-impuretés ionisées ont été développés. Ils ont permis d'identifier les améliorations à réaliser pour la mise en oeuvre de futures caméras basées sur des détecteurs à cascade quantique : importance de la place des impuretés ionisées dans la région active et rôle crucial du dessin de la cascade. Le champ magnétique a montré dans cette deuxième étude son formidable pouvoir d'outil spectroscopique.

Ce travail s'inscrit dans un cadre de recherche qui a pour objectif essentiel l'étude de l'influence de la vapeur d'eau sur l'oxydation à haute température d'un alliage formeur de Cr2O3 à base de nickel. L'alliage étudié pour cette étude est le SY 625. L'originalité de cette étude repose sur l'utilisation d'un montage expérimental, mis en oeuvre au laboratoire. Ce montage appelé " montage vapeur d'eau " permet de réaliser l'oxydation du SY 625 à haute température (900-1100°C) en présence de vapeur d'eau (7,5 et 33% de vapeur d'eau) avec différents gaz vecteurs (oxygène, air, argon et azote) en conditions isotherme ou cyclique. Les résultats cinétiques obtenus sous air, ne montrent pas de différences notables que l'oxydation soit réalisée en conditions sèche ou humide (quelque soit le taux de vapeur d'eau). Les résultats n'ont pas montré de breakaway pour les durées d'oxydation allant jusqu'à 48 heures. Ceci est attribué au fait qu'il n'y a pas formation d'oxydes de fer sachant que l'alliage contient seulement 0,23% en masse de fer. Les résultats de DRX montrent la formation des mêmes phases quel-que-soit le gaz vecteur utilisé (en atmosphère sèche ou humide). A 900 et 1000°C, l'oxyde Cr2O3 est détecté ainsi que deux composés intermétalliques : Ni3Mo et NbNi4. En revanche à 1100°C, l'oxyde Cr2O3 est toujours présent mais les composés intermétalliques sont oxydés pour donner un oxyde mixte CrNbO4. L'oxydation du molybdène au dessus de 1000°C conduit à la formation de MoO3 qui est un oxyde volatil. Les analyses morphologiques, ont montré la présence de couches de chromine plus plastiques avec une porosité répartie sur toute l'épaisseur de la couche pour les essais réalisés en présence de vapeur d'eau. Les couches d'oxyde sont alors plus adhérentes. Ceci a été confirmé par des essais d'oxydation en conditions cycliques, qui ont montré notamment à 1100°C, une meilleure tenue mécanique de la couche d'oxyde en présence de vapeur d'eau. Les tests d'oxydation en présence d'un marquage à l'or a aussi permis de mettre en évidence un mécanisme d'oxydation mixte pour les oxydations réalisées en atmosphères riche en oxygène que l'on soit sous atmosphère sèche ou humide. En revanche, le marquage à l'or a montré la présence d'un mécanisme d'oxydation interne pour les atmosphères pauvres en oxygène, avec des couches d'oxydes présentant une adhérence parfaite. Le fait d'ajouter de la vapeur d'eau à ces atmosphères pauvres en oxygène, entraine la réapparition d'un mécanisme de diffusion mixte.

La compréhension des aspects fondamentaux de la diffusion de l'oxygène dans les oxydes solides à des températures modérées, jusqu'à température ambiante, est un enjeu majeur pour le développement d'une variété de dispositifs technologiques dans un avenir proche. Cela concerne, par exemple, le développement de la prochaine génération des électrolytes et membranes solides d'oxygène pour les piles à combustible de type SOFC. Autrement, les réactions d'intercalation de l'oxygène réalisées à basse température présentent un outil puissant pour contrôler le dopage en oxygène ainsi que des propriétés physiques. Dans ce contexte, les oxydes ayant une structure type brownmillérite (A2BB'O5) ou type K2NiF4, ont attiré beaucoup d'attention, car ils montrent une mobilité de l'oxygène déjà à température ambiante.Dans cette thèse, nous avons étudié les mécanismes d'intercalation d'oxygène dans SrFeO2.5+x, ainsi que Pr2NiO4+x par des méthodes de diffraction in situ, réalisées sur des monocristaux dans une cellule électrochimique spécifiquement conçue, explorant principalement le rayonnement synchrotron. Ceci a permis d’explorer en 3D tout le réseau réciproque, et d'obtenir des informations précieuses sur la diffusion diffuse, sur les faibles intensités des raies de surstructure, ainsi que des informations sur la fraction volumique des différents domaines de maclage au cours de la réaction, impossibles à accéder par diffraction de poudre.Les deux systèmes montrent des changements structuraux complexes, accompagnés par une mise en ordre de l'oxygène à longue portée. Au cours de l'intercalation d'oxygène nous avons mis en évidence deux phases intermédiaires, SrFeO2.75 et SrFeO2.875, possédant des lacunes en oxygène ordonnées à longue échelle. En raison du maclage, avec jusqu'à douze possibles individus, nous avons suivi directement la formation et l'évolution des domaines de maclage ainsi que leur micro-structure apparentée. Nous avons ainsi observé un mécanisme de réaction topotactique pour SrFeO2.5 vers SrFeO2.75, tandis que l'oxydation de SrFeO2.75 conduit à des importants réarrangements de l’oxygène, associés à un changement de nombre de domaines de maclage. La réduction électrochimique de la phase orthorhombique Pr2NiO4.25 donne Pr2NiO4.0 comme produit final, ayant la même symétrie, tandis que la phase tétragonale Pr2NiO~4.12 apparaît comme phase intermédiaire. Utilisant un monocristal avec un diamètre de 50 microns, la réaction se déroule dans des conditions d'équilibre dans moins que 24 heures, ce qui implique un coefficient de diffusion de l’oxygène anormalement élevé, supérieur à 10-^11cm2*s-1 à température ambiante. Nous avons également étudié le diagramme de phase de Pr2NiO4.25 sur monocristal jusqu’à 1100°C en chauffant sous air. Une série complexe de transition de phases a été mise en évidence, la vraie symétrie de Pr2NiO4.25 s’avérée en fait monoclinique.Outre l'exploration des diagrammes de phases complexes de SrFeO2.5+x et Pr2NiO4+d, nous avons pu étudier les changements détaillés concernant la micro-structure à l'aide de diffraction sur monocristaux in situ, impossible à accéder par des méthodes de diffraction de poudre classique. Les changements de la micro-structure des domaines va bien au-delà des composés étudiés ici et porte une grande importance pour extrapoler sur la performance, la stabilité et la durée de vie par exemple des matériaux utilisés pour le stockage de l’énergie. / Understanding fundamental aspects of oxygen diffusion in solid oxides at moderate temperatures, down to ambient, is an important issue for the development of a variety of technological devices in the near future. This concerns e.g. the progress and invention of next generation solid oxygen ion electrolytes and oxygen electrodes for solid oxide fuel cells (SOFC) as well as membrane based air separators, oxygen sensors and catalytic converters to transform e.g. NOx or CO from exhaust emissions into N2 and CO2. On the other hand oxygen intercalation reactions carried out at low temperatures present a powerful tool to control hole doping, i.e. the oxygen stoichiometry, in electronically correlated transition metal oxides. In this aspect oxides with Brownmillerite (A2BB’O5) and K2NiF4-type frameworks, have attracted much attention, as they surprisingly show oxygen mobility down to ambient temperature. In this thesis we investigated oxygen intercalation mechanisms in SrFeO2.5+x as well as Pr2NiO4+x by in situ diffraction methods, carried out on single crystals in especially designed electrochemical cell, mainly exploring synchrotron radiation. Following up oxygen intercalation reactions on single crystals is challenging, as it allows to scan the whole reciprocal lattice, enabling to obtain valuable information as diffuse scattering, weak superstructure reflections, as well as information of the volume fraction of different domains during the reaction, to highlight a few examples, difficult or impossible to access by powder diffraction. Both title systems are able to take up an important amount of oxygen on regular and interstitial lattice sites, inducing structural changes accompanied by long range oxygen ordering. For SrFeO2.5+x the uptake of oxygen carried out by electrochemical oxidation yields SrFeO3 as the final reaction product. The as grown SrFeO2.5 single crystals we found to show a complex defect structure, related to the stacking disorder of the octahedral and tetrahedral layers. During the oxygen intercalation we evidenced the formation of two reaction intermediates, SrFeO2.75 and SrFeO2.875, showing complex and instantly formed long range oxygen vacancies. Due to the specific twinning with up to totally twelve possible twin individuals, we directly follow up the formation and changes of the specific domain and related micro-structure. We thus observed a topotactic reaction mechanism from SrFeO2.5 to SrFeO2.75, while further oxidation lead to important rearrangements in the dimensionality of the oxygen defects in SrFeO2.75, implying the formation of an additional twin domain in course of the reaction. The electrochemical reduction of orthorhombic Pr2NiO4.25 yields stoichiometric Pr2NiO4.0 as the final reaction product with the same symmetry, while tetragonal Pr2NiO~4.12 appears as a non-stoichiometric intermediate phase. Using a single crystal with 50µm diameter, the reaction proceeded under equilibrium conditions in slightly less than 24h, implying an unusually high oxygen ion diffusion coefficient of > 10^-11cm2*s-1 at already ambient temperature. From the changes of the associated twin domain structure during the reduction reaction, the formation of macro twin domains was evidenced. Heating up Pr2NiO4.25 single crystals in air revealed a complex series of phase transition, evidencing the true symmetry of the starting phase to be in fact monoclinic. Beside exploring the complex phase diagrams of SrFeO2.5+x and Pr2NiO4+d we were able to investigate detailed changes in the micro-structure using in situ single crystal diffraction techniques, impossible to access by classical powder diffraction methods. The importance of changes in the domain structure goes far beyond the investigated title compounds and has utmost importance of the performance, stability and lifetime of e.g. battery materials.

Ce travail s’inscrit dans un cadre de recherche qui a pour objectif essentiel l’étude de l’influence de la vapeur d’eau sur l’oxydation à haute température d’un alliage formeur de Cr2O3 à base de nickel. L’alliage étudié pour cette étude est le SY 625. L’originalité de cette étude repose sur l’utilisation d’un montage expérimental, mis en oeuvre au laboratoire. Ce montage appelé « montage vapeur d’eau » permet de réaliser l’oxydation du SY 625 à haute température (900-1100°C) en présence de vapeur d’eau (7,5 et 33% de vapeur d’eau) avec différents gaz vecteurs (oxygène, air, argon et azote) en conditions isotherme ou cyclique. Les résultats cinétiques obtenus sous air, ne montrent pas de différences notables que l’oxydation soit réalisée en conditions sèche ou humide (quelque soit le taux de vapeur d’eau). Les résultats n’ont pas montré de breakaway pour les durées d’oxydation allant jusqu’à 48 heures. Ceci est attribué au fait qu’il n’y a pas formation d’oxydes de fer sachant que l’alliage contient seulement 0,23% en masse de fer. Les résultats de DRX montrent la formation des mêmes phases quel-que-soit le gaz vecteur utilisé (en atmosphère sèche ou humide). A 900 et 1000°C, l’oxyde Cr2O3 est détecté ainsi que deux composés intermétalliques : Ni3Mo et NbNi4. En revanche à 1100°C, l’oxyde Cr2O3 est toujours présent mais les composés intermétalliques sont oxydés pour donner un oxyde mixte CrNbO4. L’oxydation du molybdène au dessus de 1000°C conduit à la formation de MoO3 qui est un oxyde volatil. Les analyses morphologiques, ont montré la présence de couches de chromine plus plastiques avec une porosité répartie sur toute l’épaisseur de la couche pour les essais réalisés en présence de vapeur d’eau. Les couches d’oxyde sont alors plus adhérentes. Ceci a été confirmé par des essais d’oxydation en conditions cycliques, qui ont montré notamment à 1100°C, une meilleure tenue mécanique de la couche d’oxyde en présence de vapeur d’eau. Les tests d’oxydation en présence d’un marquage à l’or a aussi permis de mettre en évidence un mécanisme d’oxydation mixte pour les oxydations réalisées en atmosphères riche en oxygène que l’on soit sous atmosphère sèche ou humide. En revanche, le marquage à l’or a montré la présence d’un mécanisme d’oxydation interne pour les atmosphères pauvres en oxygène, avec des couches d’oxydes présentant une adhérence parfaite. Le fait d’ajouter de la vapeur d’eau à ces atmosphères pauvres en oxygène, entraine la réapparition d’un mécanisme de diffusion mixte. / This work is a part of a research project which has for essential objective the study of water vapor influence in high temperature oxidation for a chromia forming nickel base alloy. Alloy studied for this study is the SY 625. Originality of this study is based on an experimental assembly use, create in the laboratory. This assembly called “water vapor assembly” is used for realized SY 625 high temperature oxidation (900-1100°C) in presence of water vapor (7,5 and 33 vol. % water vapor) with various carriers gas (oxygen, air, argon and nitrogen) in isothermal and cyclic conditions. The kinetic results obtained under air, do not show considerable differences that the oxidation is realized in dry or wet conditions (with the various water vapor rate). The results do not show breakaway for the oxidation durations going to 48 hours. This is attributed to the fact that there is no formation of oxides iron knowing that the alloy contains only 0,23 mass % of iron. The XRD results show the formation of the same phases which is the carrier gas used (in dry or wet atmosphere). At 900 and 1000°C, the Cr2O3oxide is detected with two intermetallic compounds : Ni3Mo and NbNi4. On the other hand at 1100°C, the oxide Cr2O3 is always present but the intermetallic compounds are oxidized to give a mixed oxide CrNbO4. The oxidation of the molybdenum above 1000°C leads to the formation of MoO3 which is a volatile oxide. The morphological analyses, showed the presence of more plastic chromia layers with a distributed porosity on all the thickness of the layer for the test realized in water vapor presence. The oxide layers are then more adherents. This was confirmed by oxidation test in cyclic conditions, which showed in particular at 1100°C, a better mechanical behavior of oxide layer in water vapor presence. The oxidation tests with gold marker experiments are also showed a mixed oxidation mechanism for the oxidations realized in rich oxygen atmospheres under dry or wet atmosphere. On the other hand, gold marker experiments showed the presence of a internal oxidation mechanism for poor oxygen atmospheres, with oxides layers showing a perfect adhesion. The fact of adding water vapor to these poor oxygen atmospheres, lead to the reappearance of a mixed diffusion mechanism.