De par leurs propriétés physico-chimiques spécifiques, les nanomatériaux attirent de plus en plus la communauté scientifique. Dans ce contexte, il est important d'améliorer les techniques de caractérisation à l'échelle nanométrique. Ce travail de thèse est basé sur le développement de techniques de diffraction électronique pour l'étude de matériaux bi-dimensionnels et tri-dimensionnels.La diffraction électronique en faisceau convergent contient de nombreuses informations sur la structure l'échantillon. Ces informations, portées par les lignes de HOLZ, permettent de déterminer l'épaisseur de l'échantillon, le facteur de structure, la direction d'observation, la tension d'accélération des électrons, ainsi que la longueur de caméra. Des ambiguïtés existent dans la détermination de l'état de contraintes car un cliché expérimental est une projection bi-dimensionnelle d'une information tri-dimensionnelle. Il a été possible au cours de cette thèse de réduire ces ambiguïtés et de déterminer ainsi les composantes diagonales du tenseur de déformation à partir d'une seule direction d'observation. En étudiant l'élargissement des lignes de HOLZ, dû à une déformation non uniforme dans le sens de propagation des électrons, il a été possible de remonter au champ de déplacement suivant l'axe du faisceau d'électrons.La seconde partie de cette thèse s'intéresse aux matériaux bi-dimensionnels comme le Graphène, le Nitrure de Bore (BN) et le disulfure de Molybdène (MoS2). L'interprétation du contraste d'une image de microscopie électronique en transmission haute résolution est discutée, notamment sur l'importance de l'orientation de l'échantillon et des aberrations. Une méthode de mesure de l'orientation d'un échantillon bi-dimensionnel basée sur la projection des tâches de diffraction est présentée. Enfin, trois techniques de mesure d'épaisseur sont comparées en les appliquant à quelques couches atomique de MoS2 et BN. / The small dimensions of nanomaterials give them remarkable properties attracting the scientific community. In order to understand and control these properties, it is essential to characterize them at the nanometer scale. This thesis work is based on the development of electron microscopy diffraction techniques for the study of two and three dimensional materials.Convergent Beam Electron Diffraction patterns contain large amount of information on the sample geometry. This information, carried by HOLZ lines, allows to determine the sample thickness, the structure factor, the direction of observation, the electron acceleration voltage and the camera length. Ambiguities in strain measurement arise from the experimental two-dimensional projection of three-dimensional information. During this thesis, it has been possible to reduce these ambiguities and therefore to measure the diagonal components of the deformation gradient tensor from one direction of observation only. By studying the HOLZ lines broadening, due to a non-uniform strain along the electron beam direction, it has been possible to retrieve the displacement field along the beam direction.The second part of this thesis is focused on the study of two-dimensional materials such as Graphene, Boron Nitride (BN) or Molybdenum disulfide (MoS2). The delicate interpretation of the contrast of high-resolution transmission electron microscopy images and especially the importance of aberrations and sample tilt on this contrast is discussed. A method to quantify two-dimensional sample orientation using diffraction spots projection effect is presented. Finally, three thickness measurement techniques are compared by applying them to few-layered MoS2 et BN.

Li-ion battery technologies have transformed the consumer electronics and electric vehicles landscape over the last few decades. Single-crystal cathode materials with controllable physical properties including size, morphology, and crystal facets can aid researchers in developing relationships between physical characteristics, chemical properties, and electrochemical performance. High-voltage LiNi_0.5Mn_1.5O₄ (LNMO) materials are desirable as cathodes due to their low cost, low toxicity, and high capacity and energy density making them promising to meet increasing consumer demands for battery materials. However, transition metal dissolution, interfacial instability, and capacity fading plague these materials when paired with graphite, limiting their commercial capability. Furthermore, variation in Ni/Mn ordering can lead to complex multiphase co-existence and changes in Mn oxidation state and electrochemical performance. These properties can be adjusted during synthesis using a facile and tunable molten salt synthesis method. This dissertation focuses on the investigation of chemical and structural heterogeneities of LNMO prepared under different synthetic conditions at different length scales. In Chapter 2, the influences of molten salt synthesis parameters on LNMO particle size, morphology, bulk uniformity, and performance are evaluated revealing the difficulty of reproducible cathode synthesis. We utilize the X-ray nanodiffraction technique throughout this work, which provides high-resolution structural information. We develop a method to measure and relate lattice strain to phase distribution at the tens of nanometers scale. In Chapter 3, mapping lattice distortions of LNMO particles with varying global Mn oxidation states reveals inherent structural defects and distortion heterogeneities. In Chapter 4, we examine lattice distortion evolution upon chemical delithiation, Mn dissolution behaviors, and evaluate the chemical delithiation method as a means to replicate electrochemical cycling conditions. We further investigate lattice distortion spatially via in situ nanodiffraction during battery cycling in Chapter 5, illustrating the capabilities of the measurement to provide practical understanding of cathode transformations. From intra-particle to electrode materials level, heterogeneities that arise in cathode materials can dictate performance properties and degradation mechanisms and are necessary for researchers to understand for the improvement of Li-ion battery systems. The development of the nanodiffraction measurements aids in our understanding of inherent and dynamic materials chemical and structural heterogeneities. / Doctor of Philosophy / The invention of rechargeable Li-ion batteries in the 1990s has undeniably revolutionized modern civilization. Cell phones, laptops, grid energy storage, and electric vehicles have become fundamental fixtures of the 21st century. As technologies improve and requirements for advanced renewable energy storage have increased, researchers have sought to design longer lasting, faster charging, and more lightweight batteries. Modifying and finding new positive electrode materials is one way to improve the capabilities of modern batteries as their properties are governed by fundamental chemistry. High-voltage LiNi_0.5Mn_1.5O₄ (LNMO) is one such material that can allow for fast charging and high energy storage capacity, but its commercialization is hindered by complex physical and chemical properties, which can limit its lifetime in batteries. Large, particles with well-defined shapes are desirable to improve the stability of the materials; however, understanding their defects and structural heterogeneities is vital to continued optimization and requires advanced characterization techniques. In this dissertation, we characterize the physical phases and chemical properties of LNMO samples prepared under different conditions resulting in different particle shapes, sizes, and chemical distributions. An advanced X-ray nanodiffraction technique is used to measure phase distributions within individual particles while lab-based analytical techniques and electrochemical testing can determine bulk properties and battery performance of materials. Overall, the aim of this work is to develop techniques to measure structural and chemical heterogeneities of cathode materials at different length scales and to understand how they influence properties and performance in batteries. This work provides valuable insights into the inherent and dynamic properties of high-voltage electrode materials useful to advance our understanding of how these materials fail and to aid researchers in creating design principles to develop stable, high-performing future generations of rechargeable batteries.

Ce travail de thèse est basé sur l'étude des déformations dans les matériaux à l'échelle nanométrique. En effet, depuis une dizaine voire une quinzaine d'années, le développement de nouveaux matériaux structuraux ou destinés à l'industrie de la microélectronique nécessite la maîtrise des phénomènes de déformation à une telle échelle. La demande de caractérisation se trouve donc en forte croissance, avec des contraintes de plus en plus forte en termes de résolution spatiale et de sensibilité en déformation. La mise au point et/ou l'amélioration de techniques répondant à ces critères est donc nécessaire. Le microscope électronique en transmission étant l'un des seuls instruments capables de mesurer quantitativement des déformations à l'échelle nanométrique, quatre différentes techniques liées à cet appareil ont été étudiées : la technique des moirés, la diffraction en faisceau convergent, la nanodiffraction et l'holographie en champ sombre. La disponibilité du microscope de dernière génération FEI Titan a permis d'obtenir des résultats marquants pour chacune de ces techniques. Les quatre techniques étudiées font l'objet d'une étude poussée sur leur résolution, leur sensibilité en déformation, leurs limites d'utilisation, leur mode d'acquisition et les contraintes qu'elles imposent dans la préparation d'échantillons. Ainsi, la technique des moirés possède une résolution de l'ordre de la vingtaine de nanomètre avec une sensibilité de 4.10^-4 mais nécessite des échantillons particuliers. La diffraction en faisceau convergent est la technique possédant la meilleure résolution spatiale (1 à 2 nm) combinée à une excellente sensibilité en déformation (2.10^-4). Cependant, l'inhomogénéité du champ de déplacement dans l'épaisseur de l'échantillon, phénomène très présent dans les lames minces, rend cette méthode difficile à utiliser de façon courante. La nanodiffraction est probablement la technique la plus facile à mettre en place et s'applique à la plus grande partie des matériaux ou objets. Elle possède une résolution intéressante (jusqu'à 3 nm) mais une sensibilité en déformation limitée à 6.10^-4 dans le meilleur des cas. Pour finir, l'holographie en champ sombre, technique très récente, offre une bonne résolution (autour de 4 ou 5 nm) avec une excellente sensibilité en déformation (2.10^-4). Ces quatre techniques sont comparées entre elles sur des échantillons le permettant.

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