Thèse--Sc. phys.--Lyon, 1970. N°: 702. / Bibliogr. p. 70-73.

L’électrochromisme se définit par la capacité d’un système à modifier ses propriétés optiques en réponse à une tension électrique. Aujourd’hui, les vitrages intelligents sont une des applications phare. Ce manuscrit contribue à une meilleure compréhension du mécanisme responsable de la commutation optique du matériau à coloration anodique NiO. Des films de stoechiométrie contrôlée, de formule Ni1-xO, ont été déposés par pulvérisation cathodique à température ambiante sous différentes pressions partielles d’oxygène. De nature faiblement cristallisés, la caractérisation des films par diverses techniques telles que la spectroscopie de photoélectrons X, ou la spectroscopie de pertes d’énergie des électrons a permis d’estimer que la stoechiométrie variait de Ni0,96O à Ni0,81O lorsque la P(O2) augmentait de 2% à 10%. L’étude électrochimique couplée aux mesures optiques, du film Ni0,96O dans divers électrolytes lithié et non-lithié, a montré que la différence de couleur entre l’état décoloré et coloré (marron) était comparable (42%<ΔT=Tdec-Tcol<55%) quel que soit le milieu. Ces résultats ont conduit à la mise en évidence d’un mécanisme régi simultanément par un comportement faradique et capacitif. L’intégration des films dans des dispositifs Ni1-xO/WO3 est associée à une coloration neutre quelles que soient les épaisseurs des couches unitaires ou la température de cyclage. Toutefois, des températures de cyclage supérieures à 45°C ont conduit à des dégradations irréversibles des propriétés électrochromes tandis que des températures de cyclage négatives ont entrainé une diminution voire une disparition des propriétés électrochromes. La conception de dispositifs plus originaux, double face, conclut ce manuscrit. / Electrochromism is defined by the ability of a system to modify its optical properties in response to an electrical voltage and today, its flagship application is the smart windows. This manuscript contributes to a better understanding of the mechanism responsible of the coloration of the anodically colored oxide NiO. Non-stoichiometric films, Ni1-xO, were deposited by sputtering at room temperature under different partial pressures of oxygen. The characterization of the films by various techniques, including X-ray photoelectron spectroscopy or energy loss spectroscopy, has led to the conclusion that the stoichiometry varied from Ni0.96O to Ni0,81O when P(O2) increased from 2% to 10%. The electrochemical study coupled with the optical measurements of Ni0,96O film in various lithiated and non-lithiated electrolytes showed that the color difference between the bleached and colored (brownish) state was comparable (42%<ΔT=Tbl-Tcol<55%) regardless of the electrolyte nature. These results led to the identification of a mechanism simultaneously governed by a faradaic and capacitive behavior. The integration of the films in Ni1-xO/WO3 devices is associated to neutral colored ECDs regardless of the thickness of the individual layers or the cycling temperature. However, cycling temperatures above 45°C has led to irreversible degradations of the electrochromic properties while negative cycling temperatures has shown a decrease or even disappearance of the electrochromic properties. The design of original devices concludes this manuscript.

L'objectif de cette thèse est l'obtention de nouvelles données expérimentales en milieu acide borique dans le cadre du développement de modèles décrivant le comportement des produits de corrosion dans le circuit primaire, et notamment sur le relâchement du nickel par des phénomènes de dissolution/précipitation. Le travail présenté dans ce mémoire s'est focalisé sur une des phases solides du nickel, l'oxyde de nickel (NiO), ainsi que sur le comportement en solution de sa forme ionique, Ni2+. La solubilité de l'oxyde de nickel a été mesurée à haute température à l'aide d'un réacteur à circulation ouverte spécialement conçu pour fonctionner à haute température et haute pression. Compte tenu des concentrations très faibles en Ni dans les conditions de nos essais (300°C, pH>7, matrice bore-lithium), une méthode d'analyse du nickel dissous à l'échelle de l'ultra-trace (ng.kg-1) en milieu bore-lithium a été développée par ICP-MS et a été validée statistiquement par la méthode du profil d'exactitude. La complexation du nickel par les (poly)borates a ensuite été étudiée. Une expérience a été conduite où les ions nickel sont progressivement formés par oxydation d'une électrode de nickel métallique dans une solution d'acide borique. Basé sur les résultats expérimentaux et sur la modélisation de la spéciation aqueuse du bore, l'évolution du pH a montré l'existence significative d'un complexe nickel-bore. Le complexe neutre NiB3O4(OH)3 a été mis en évidence pour de fortes concentrations en acide borique, lorsque les polyborates sont présents. Les constantes d'équilibres ont été calculées à 25, 50 et 70°C, ainsi que les données thermodynamiques associées. Enfin, les cinétiques de dissolution de l'oxyde de nickel ont été mesurées en milieu acide chlorhydrique et en milieu acide borique de 25 à 100°C et un pH de 6. Les résultats ont mis en évidence un effet inhibiteur de l'acide borique sur les vitesses de dissolution de NiO dont le phénomène est exacerbé par l'augmentation de la température et de la concentration en bore. La formation d'un complexe surfacique a été mise en avant pour expliquer cet effet. / This work focuses on the nickel oxide phase (NiO) and the behavior in solution of its ionic form Ni2+. The solubility of nickel oxide has been determined at high temperature and pressure by the use of a flow through cell reactor specially designed to perform measurements in the conditions of the primary circuit. Because the solubility of nickel is very low at 300°C and pH>7, a new method for the determination of ultra-traces nickel concentrations in lithium/boron medium by ICP-MS coupled with a desolvator system nebulizer has been developed and validated by the statistical approach of accuracy profiles. The complexation of nickel by the (poly)borates has been also studied. Based on the experimental results and aqueous speciation modeling, the evolution of pH showed the existence of significant nickel-boron complexation. A neutral complex NiB3O4(OH)3 was postulated at high boric acid concentrations when polyborates are present, and the equilibrium constants were determined at 25, 50 and 70°C. The associated thermodynamics data have also been determined. Dissolution rates of nickel oxide have been measured in hydrochloric acid and in boric acid media up to 100°C and pH 6. Results showed that boric acid inhibits the dissolution rates of NiO and this phenomenon is enhanced by the temperature and the concentration of boron. The formation of a surface complex was postulated to explain this effect.

La chimisorption des gaz sur les oxydes métalliques est un problème fondamental dans l'étude des catalyseurs et jusqu'à présent cela a motivé la plupart des travaux concernant ce sujet. Actuellement, le développement des capteurs solides à gaz dont le principe est basé sur la modification des propriétés électriques d'un solide semi-conducteur en présence de gaz suscite un nouvel intérêt pour ces problèmes de réactions hétérogènes. Dans le cadre d'une étude sur la mise au point d'un détecteur sélectif au dioxyde de soufre, nous avons été amenés à mesurer les variations de la conductance électrique dioxyde de nickel polycristallin en présence de mélanges gazeux oxygène-dioxyde de soufre. La chimisorption de ces gaz à la surface du solide se traduit par un échange électronique entre les réactants. Le caractère accepteur ou donneur d'électrons du gaz et le type du semi-conducteur déterminent le sens du transfert électronique et donc celui de la variation de la conductivité électrique du solide. L'application pratique de ces notions implique de savoir comment les variations de la conductivité électrique sont reliées à ces transferts d'électrons. On admet généralement que l'adsorption d'un gaz accepteur d'électrons fera diminuer la conductivité d'un semi-conducteur de type n et fera augmenter celle d'un semi-conducteur de type p. Dans le cas d'un gaz donneur d'électrons, les effets seront inversés. En fait, la détermination du type de l'oxyde n'est pas toujours évidente. C'est le cas de l'oxyde de nickel qui, bien qu'ayant certaines propriétés semi-conductrices de type p, a une structure de bande à caractère métallique. Malgré le très grand nombre d'hypothèses avancées sur le mécanisme de conduction de l'oxyde de nickel, aucun modèle n'a actuellement fait l'unanimité et n'a permis d'expliquer la totalité des phénomènes observés expérimentalement par les physico-chimistes. Dès lors, on conçoit que pour cet oxyde, il n'y ait pas une relation simple entre les variations de la conductivité électrique et la chimisorption de gaz. C'est ainsi que nous avons pu constater que l'action du dioxyde de soufre sur la conductivité électrique de l'oxyde de nickel dépendait de la pression d'oxygène et qu'il pouvait même y avoir une inversion du sens de variation. Il est donc apparu important d'essayer de mieux comprendre le mécanisme de conduction de cet oxyde. Les résultats présentés dans ce travail posent le problème de la représentativité de la conductivité électrique de l'oxyde de nickel quant à l'équilibre thermodynamique oxygène-oxyde. L'analogie entre les résultats obtenus par deux techniques expérimentales telles que la conductivité électrique et la calorimétrie a permis de remettre en question l'origine des porteurs dans l'oxyde de nickel et de proposer un modèle susceptible de concilier le diagramme des bandes de ce matériau et la plupart des résultats expérimentaux concernant le mécanisme de conduction électrique et en particulier les résultats obtenus par des mesures de conductivité électrique, d'effet Hall et d'effet Seebeck.

Les premiers stades de la croissance du NiO/Cu(111) ont été caractérisés du point de vue chimique, morphologique et structurale à une échelle microscopique. Pour cela, nous avons utilisé différentes méthodes d'élaboration et combiné différentes techniques de laboratoire in situ ainsi que le rayonnement synchrotron. Les bicouches à couplage d'échange NiO/FeNi/Cu(111) ont aussi été étudiées. L'interface Ni/Cu(111) a été étudié en mettant en évidence les liens entre la morphologie, la structure et les propriétés magnétiques. Les valeurs réduites du moment de spin sont reliées à l'hybridation 3d à l'interface Ni-Cu et au recouvrement de Cu. Dans toute la gamme des épaisseurs étudiées l'anisotropie du moment orbital est dans le plan, déterminant l'orientation de l'axe de facile aimantation. Cette axe peut être reliée à la tétragonalisation du réseau cristallin du Ni. Des couches ultraminces de NiO ont été obtenues par évaporation à partir de pépites de NiO à température ambiante ainsi qu'à 250°C. Les couches minces peuvent être décrite par une bicouche NiO/Ni/Cu(111). Le GISAXS permettent de confirmer les observations STM et de mettre en évidence l'auto-organisation des îlots de NiO. Due à la faible efficacité d'oxydation, les couches minces de NiO déposées à partir du Ni métallique sous oxygène, présentent quelques différences par rapport aux couches déposées à partir des pépites. Le mécanisme de formation des îlots proposé est basé sur un processus de nucléation/agrégation de clusters. Les résultats structurales (LEED et GIXD) peuvent être attribués soit à la formation d'une phase hexagonale alpha-Ni2O3, soit à une distorsion structurale de la maille NiO(111)(sqrt(3)xsqrt(3))R30°. Le système à couplage d'échange NiO/FeNi/Cu(111) a été élaboré en utilisant les deux méthodes d'élaboration du NiO. L'interface NiO/FeNi est très abrupte, présentant une texturation suivant les axes cristallographiques. Les analyses structurales montrent une bonne épitaxie du NiO sur les films d'alliage FeNi.

L'objectif de la thèse est d'étudier des dispositifs électrochromes sur support flexibles. Ces systèmes ont une transmission dans le visible et le proche infra-rouge qui peut être modulée sous l'effet d'une tension électrique. Ils sont constitués d'un empilement de couches minces : - un film électrochrome à coloration cathodique à base de WO3, - une couche conductrice ionique au lithium, inorganique (LiPON) ou organique gélifiée, - une contre-électrode à coloration anodique ("LixNi0.5O") ou optiquement passive (V2O5). Cet ensemble, compris entre deux électrodes conductrices transparentes est déposé sur PET. Les couches électrochromes et l'électrolyte inorganique sont déposés par pulvérisation cathodique. La corrélation entre paramètres de dépôt, propriétés électrochromes et propriétés structurales a été établie.

Ce travail, effectué dans le cadre d'une collaboration entre l'IPN d'Orsay et EDF, contribue aux études destinées à améliorer la compréhension du comportement des radioéléments en production (centrale en fonctionnement) et à l'aval du cycle électronucléaire (stockage géologique profond des déchets). Le comportement et l'évolution des radioéléments sont fortement dépendants des interactions aux interfaces eau / surface minérale, phénomènes complexes et souvent difficiles à caractériser in situ (en particulier, dans le cas du circuit primaire des centrales REP). La dynamique moléculaire basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité apporte des éléments de compréhension sur l'évolution des structures d'équilibre en prenant en compte explicitement la solvatation et les effets de la température sur les mécanismes d'interaction. Dans un premier temps, le comportement de l'ion uranyle en solution et à l'interface d'un système modèle eau / TiO2 à température ambiante a été simulé et validé par la confrontation avec des résultats expérimentaux et des calculs de DFT statiques. Dans un deuxième temps, cette approche a été employée sur ce même système, à des fins prédictives, pour étudier l'effet d'une élévation de la température. La rétention de l'ion augmente avec la température en accord avec les données expérimentales obtenues sur d'autres systèmes, et conduit également à une modification du complexe de surface. Dans un troisième temps, une étude similaire a été effectuée à l'interface eau / NiO, produit de corrosion présent dans le circuit primaire des centrales nucléaires, pour lequel peu de données expérimentales sont disponible actuellement.

L'objectif du travail présenté est d'acquérir expérimentalement de nouvelles données thermodynamiques sur les espèces qui constituent les produits de corrosion présents dans le circuit primaire des REP. Le volet expérimental de cette étude se focalise sur deux phases solides du nickel : l'oxyde de nickel NiO (ou bunsenite) et le ferrite de nickel NiFe2O4. La vitesse de dissolution de l'oxyde de nickel a été mesurée jusqu'à 130°C en milieu acide (pH 3 à 5). Un modèle cinétique a été utilisé afin de décrire les vitesses de dissolution mesurées expérimentalement. Ce modèle a permis de déterminer l'énergie d'activation réelle de la réaction de dissolution de l'oxyde de nickel. La solubilité d'un ferrite de nickel stœchiométrique synthétisé expérimentalement a été mesurée entre 100 et 200°C dans une cellule potentiométrique à électrodes à hydrogène. La spéciation du fer et du nickel dans la solution expérimentale a été discutée au regard des données thermodynamiques disponibles à haute température et des constantes d'équilibre calculées par le code MULTEQ. L'un des aspects de cette étude a consisté en la conception et la mise en route d'une cellule de mesure de solubilité à haute température : la boucle SOLO. Les spécifications techniques et le fonctionnement de cette installation seront présentés en détail.

La mise en œuvre d'une technique d'analyse par "désorption en programmation de température" a permis de dénombrer 6 états énergétiques distincts de l'oxygène adsorbé à la surface de l'oxyde de nickel. En réalisant une étude systématique, il a été ainsi possible de définir les conditions d'existence de chacune de ces espèces et de suivre leurs cinétiques d'adsorption à différentes températures. Les résultats obtenus ont été exploités pour préparer divers échantillons de NiO en maîtrisant parfaitement la nature des espèces oxygénées adsorbées. Ceci a permis d'étudier sélectivement les propriétés de chaque espèce et de préciser son rôle dans un certain nombre de réactions de surface telles que la sulfatation de l'oxyde de nickel en présence de dioxyde de soufre gazeux.

Ce travail développe une approche globale du problème de l'interface entre une solution électrolytique et un semiconducteur doté d'une densité d'impuretés ionisables élevée (environ 10²º/cm³). L'épaisseur réduite de la zone de charge d'espace, l'influence de la couche d'Helmhotz et l'existence de niveaux profonds sont étudiées. Une expression très générale de la capacité de charge d'espace en présence de niveaux profonds est établie. Cette approche est appliquée au cas de l'oxyde de nickel lithiné Li_xNi_1-xO et conduit à une explication originale du comportement de l'interface.