<p>This thesis is divided into two parts. In the first part we study thermodynamics of the two-dimensional Heisenberg ferromagnet with dipolar interaction. This interaction breaks the conditions of the Mermin-Wagner theorem, resulting in a finite transition temperature. Our calculations are done within the framework of the self-consistent spin-wave theory (SSWT), which is modified in order to include the dipolar interaction. Both quantum and classical versions of the Heisenberg model are considered.</p><p>The second part of the thesis investigates the chemical bonding in solids from the first principles calculations. A new chemical bonding indicator called balanced crystal orbital overlap population (BCOOP) is developed. BCOOP is less basis set dependent than the earlier indicators and it can be used with full-potential density-functional theory (DFT) codes. We apply BCOOP formalism to the chemical bonding in the high-T_c superconductor MgB2 and the theoretically predicted MAX phase Nb3SiC2. We also study how the chemical bonding results in a repulsive hydrogen–hydrogen interaction in metal hydrides. The role of this interaction in the structural phase transition in Ti3SnHx is investigated.</p>

This thesis is divided into two parts. In the first part we study thermodynamics of the two-dimensional Heisenberg ferromagnet with dipolar interaction. This interaction breaks the conditions of the Mermin-Wagner theorem, resulting in a finite transition temperature. Our calculations are done within the framework of the self-consistent spin-wave theory (SSWT), which is modified in order to include the dipolar interaction. Both quantum and classical versions of the Heisenberg model are considered. The second part of the thesis investigates the chemical bonding in solids from the first principles calculations. A new chemical bonding indicator called balanced crystal orbital overlap population (BCOOP) is developed. BCOOP is less basis set dependent than the earlier indicators and it can be used with full-potential density-functional theory (DFT) codes. We apply BCOOP formalism to the chemical bonding in the high-T_c superconductor MgB2 and the theoretically predicted MAX phase Nb3SiC2. We also study how the chemical bonding results in a repulsive hydrogen–hydrogen interaction in metal hydrides. The role of this interaction in the structural phase transition in Ti3SnHx is investigated.

The search for alternate and renewable energy resources as well as the efficient use of energy and development of such systems that can help to save the energy consumption is needed because of exponential growth in world population, limited conventional fossil fuel resources, and to meet the increasing demand of clean and environment friendly substitutes. Hydrogen being the simplest, most abundant and clean energy carrier has the potential to fulfill some of these requirements provided the development of efficient, safe and durable systems for its production, storage and usage. Chemical hydrides, complex hydrides and nanomaterials, where the hydrogen is either chemically bonded to the metal ions or physiosorbed, are the possible means to overcome the difficulties associated with the storage and usage of hydrogen at favorable conditions. We have studied the structural and electronic properties of some of the chemical hydrides, complex hydrides and functionalized nanostructures to understand the kinetics and thermodynamics of these materials. Another active field relating to energy storage is rechargeable batteries. We have studied the detailed crystal and electronic structures of Li and Mg based cathode materials and calculated the average intercalation voltage of the corresponding batteries. We found that transition metal doped MgH2 nanocluster is a material to use efficiently not only in batteries but also in fuel-cell technologies. MAX phases can be used to develop the systems to save the energy consumption. We have chosen one compound from each of all known types of MAX phases and analyzed the structural, electronic, and mechanical properties using the hybrid functional. We suggest that the proper treatment of correlation effects is important for the correct description of Cr2AlC and Cr2GeC by the good choice of Hubbard 'U' in DFT+U method. Hydrogen is fascinating to physicists due to predicted possibility of metallization and high temperature superconductivity. On the basis of our ab initio molecular dynamics studies, we propose that the recent claim of conductive hydrogen by experiments might be explained by the diffusion of hydrogen at relevant pressure and temperature. In this thesis we also present the studies of phase change memory materials, oxides and amorphization of oxide materials, spintronics and sulfide materials.

Les travaux exposés dans cet ouvrage décrivent la synthèse, la caractérisation microstructurale et les propriétés physiques de solutions solides nanolamellaires des phases MAX. Les phases Mn+1AXn (M : métal de transition, A : un métal des groupes IlIA ou IV A, et X: carbone ou azote) constituent une famille de nitrures et de carbures ternaires (n = 1 à 3), qui possèdent les meilleures propriétés des métaux et les meilleures propriétés des céramiques.Lors d'une première étape, nous nous concentrons sur la synthèse de solutions solides pures et denses de Ti2AICxNy par compression isostatique à chaud. Les variations des paramètres de maille sont étudiée et discutée an fonction du taux de substitution (carbone-azote) et du taux de lacune (sur le site X). Lors d'une seconde étape, nous étudions les propriétés mécaniques et les propriétés de transport électronique des solutions solides Ti2AICxNy et des phases Ti2AICx et Ti2AINy. La technique de nanoindentation pour déterminer la dureté et le module élastique en fonction du taux de substitution et de lacune. Nous démontrons que la substitution conduit à une amélioration des propriétés mécaniques tandis que l'introduction de lacune conduit à une détérioration de ces propriétés. La résistivité électrique augmente lorsque des lacunes et/ou un effet de substitution sont introduits. Dans le cas de la substitution, nous démontrons que le désordre introduit est faible et que seule la diminution du temps de relaxation explique l'augmentation de la résistivité (interaction électron-phonons). Dans le cas de l'introduction de lacunes, nous montrons que ces dernières conduisent à une modification du temps de relaxation et probablement à une modification de la densité de porteurs.Enfin, l'anisotropie des propriétés de transport électronique a été mise en évidence par des mesures de résistivité réalisée avec le courant électrique circulant dans le plan de base et avec le courant électrique circulant selon l'axe c. Nous démontrons les propriétés de transport dans le plan de base peuvent être comprises en utilisant un modèle à une bande et un mécanisme de conduction assuré par des électrons ayant le comportement de trous. / The work discussed in this thesis concerns the synthesis, the microstructural characterization and the physical properties of nanolaminated MAX phase's solid solution. The Mn+1AXn phases (M: transition metal, A: IlIA or IV A group element, and X: either carbon or nitrogen) are a class of ternary nitrides and carbides (n=l to 3), which possess sorne of the best properties ofmetal and sorne of the best properties of ceramics.In a first step, we focus on the synthesis of highly pure and dense Ti2AICxNy solid solutions by hot isostatic pressing. The influence of the substitution of C atoms by N atoms and the influence of vacancy content on the solid solution lattice parameters is discussed. In a second step, we investigate the mechanical and transport properties of Ti2AICxNy solid solutions and oftheir related Ti2AICx and Ti2AINy end-members. Hardness and elastic modulus has been studied using nanoindentation tests. It is demonstrated that sol id solution effect leads to a hardening effect whereas the presence vacancy leads to a softening effect. The electrical resistivity is shown to increase with vacancy content and substitution rate. Such an effect is discussed in terms of disorder and relaxation time variation. Finally, the anisotropic transport properties of MAX phases is studied and discussed. The anisotropy of transport properties has been evidenced by direct measurement of the resistivity along the basal plane and along the c-axis. It is demonstrated that transport property in the basal plane can be understood in the framework of a single band model with hole-like states as charge carrier.

Il est couramment admis que la déformation plastique des phases MAX est dueau glissement de dislocations dans les plans de base s'organisant en empilements et murs. Cesderniers peuvent former des zones de désorientation locale appelées kink bands. Cependant, lesmécanismes élémentaires et le rôle exact des défauts microstructuraux sont encore mal connus. Cemanuscrit présente une étude expérimentale multi-échelle des mécanismes de déformation de laphase MAX Ti2AlN. A l'échelle macroscopique, deux types d'expériences ont été menés. Des essaisde compression in-situ à température et pression ambiantes couplés à la diffraction neutroniqueont permis de mieux comprendre le comportement des différentes familles de grains dans le Ti2AlNpolycristallin. Des essais de compression sous pression de confinement ont également été réalisés dela température ambiante jusqu'à 900 °C. À l'échelle mésoscopique, les microstructures des surfacesdéformées ont été observées par MEB et AFM. Ces observations complétées par des essais denanoindentation ont montré que la forme des grains et leur orientation par rapport à la directionde sollicitation gouvernent l'apparition de déformations intra- et inter-granulaires ainsi que lalocalisation de la plasticité. Finalement à l'échelle microscopique, une étude détaillée par METdes échantillons déformés sous pression de confinement a révélé la présence de configurations dedislocations inédites dans les phases MAX, telles que des réactions entre dislocations, des dipôleset des dislocations hors plan de base. À la vue de ces résultats nouveaux, les propriétés mécaniquesdes phases MAX sont rediscutées. / It is commonly believed that plastic deformation mechanisms of MAX phases consistin basal dislocation glide, thus forming pile-ups and walls. The latter can form local disorientationareas, known as kink bands. Nevertheless, the elementary mechanisms and the exact role ofmicrostructural defects are not fully understood yet. This thesis report presents a multi-scale experimentalstudy of deformation mechanisms of the Ti2AlN MAX phase. At the macroscopic scale,two kinds of experiments were performed. In-situ compression tests at room temperature coupledwith neutron diffraction brought new insight into the deformation behavior of the different grainfamilies in the polycrystalline Ti2AlN. Compression tests from the room temperature to 900 °Cunder confining pressure were also performed. At the mesoscopic scale, deformed surface microstructureswere observed by SEM and AFM. These observations associated with nanoindentationtests showed that grain shape and orientation relative to the stress direction control formationof intra- and inter- granular strains and plasticity localization. Finally, at the microscopic scale,a detailed dislocation study of samples deformed under confining pressure revealed the presenceof dislocation configurations never observed before in MAX phases, such as dislocation reactions,dislocation dipoles and out-of-basal plane dislocations. In the light of these new results, mechanicalproperties of MAX phases are discussed.

Mn+1AXn-Phasen sind thermodynamisch stabile nanolaminierte Ternärcarbide und -nitride, die sowohl metallische als auch keramische Eigenschaften aufweisen. Der Buchstabe M steht für ein frühes Übergangsmetall, der Buchstabe A für ein A-Element aus den Gruppen IIIA – VIA und X für Kohlenstoff und/oder Stickstoff. Die M-Atome bilden Oktaederschichten mit X-Atomen in ihren Zentren. Der Index n beschreibt die Dicke der Mn+1Xn-Lage, die zwischen zwei hexagonalen A-Schichten eingebettet ist. Die außergewöhnlichen Eigenschaften dieser Materialien haben ihren Ursprung in ihrer Mikrostruktur. Um einen Einblick auf atomarer Ebene zu gewinnen wird die Messmethode der gestörten γ-γ-Winkelkorrelation (PAC) angewendet. Die radioaktiven Sonden 111In/111Cd und 181Hf/181Ta werden durch Ionenimplantation und/oder durch Neutronenaktivierung in das Wirtsmaterial eingebracht, um den elektrischen Feldgradienten (EFG) zu messen, der am Gitterpatz des Sondenatoms herrscht. Das erste Ziel der Arbeit ist die Suche nach optimalen Ausheilparametern, mit denen ein möglichst hoher Anteil der Sonden die gleiche lokale Umgebung spürt. Der nächste Schritt ist die Bestimmung des Gitterplatzes der Sonden in der MAX-Struktur. Als Ergebnis kann festgestellt werden, dass 111In in den In- und Al-basierten MAX-Phasen fast ausschließlich den A-Platz besetzt, während 181Hf in Hf2InC auf dem M-Platz eingebaut wird. Als überraschendes Ergebnis zeigt diese Arbeit, dass die PAC-Methode bei Phasen mit gleichen Konstituenten, aber unterschiedlicher Mn+1Xn-Schichtdicke sensitiv auf die Änderung der Stapelfolge ist. Die Experimente werden mit umfangreichen Rechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) verglichen, die hier erstmalig für nahezu alle Mitglieder der Familie der MAX-Verbindungen durchgeführt wurden. Die DFT-Rechnungen reproduzieren die gemessenen EFGs mit hoher quantitativer Genauigkeit und stützen die Hypothese, dass sich die Sonden auf den prognostizierten Gitterplätzen befinden.