Les conducteurs d'ions oxygène fonctionnant à des températures inférieures à 300 ° C sont des matériaux d'intérêt majeur pour une série d’applications technologiques telles que les piles à combustible solide, les batteries, les électrodes, les capteurs, des catalyseurs, etc. Cependant à l’heure actuelle, les conducteurs d'ions d'oxygène solides fonctionnent raisonnablement seulement à haute température, supérieure à 800°C, ce qui limite leur application. Dans la recherche de l'amélioration des conducteurs d'ions d'oxygène, la structure Brownmillérite (ABO2.5 éq. A2B2O5) a toujours joué un rôle important, en particulier dans le régime à basse température où la dynamique de la chaîne tétraédrique induit la mobilité de l'oxygène. Dans ce contexte, nous avons synthétisé une nouvelle phase Sr2-xBaxScGaO5 (avec x=0 SSGO et x= 0.1 SBSGO), contenant des ions 3d0 diamagnétiques et susceptible d’être un conducteur ionique pur. En fonction de la voie de synthèse, le composé présente deux polymorphes, orthorhombiques et cubiques, qui sont tous deux importants pour la conductivité de l'oxygène. La réaction à l’état solide conduit à une structure de type Brownmillerite orthorhombique tandis que la synthèse de fusion de zone (FTZ) donne une structure Pérovskite déficitaire en oxygène .Par diffraction neutronique sur poudre (D2B @ ILL) nous avons analysé la structure des deux polymorphes, en fonction de la température. Une analyse détaillée du type SSGO Brownmillerite montre que le Sc occupe les sites octaédriques, tandis que Ga occupe exclusivement les tétraèdres autres. Cet ordre de cations est assez inhabituel pour les structures de type Brownmillerite. La deuxième particularité est que Sr2-xBaxScGaO5 subit une transition de phase à partir d'une configuration ordonnée des chaines (GaO4), caractéristiques du groupe d’espace I2mb à température ambiante, vers une configuration désordonnée des chaînes dans le groupe d’espace Imma (à 500°C). Ce résultat important confirme notre hypothèse que le désordre est dynamique et il est la clé pour avoir un conducteur d'ions d'oxygène à températures modérées. La synthèse à des températures élevées (jusqu'à fusion), donne une structure cubique Pm ̅m, stable jusqu'à 1000 ° C. La structure est de type Pérovskite fortement déficitaire en oxygène. La mobilité de l’oxygène de ces nouveaux composés a été ensuite étudiée par la thermogravimétrie (TGA) couplée avec spectroscopie de masse (MS) après échange isotopique 18O-16O, par spectroscopie RAMAN et RMN couplée avec les calculs théoriques ab-initio (WIEN2k), par diffusion inélastique des neutrons (IN6@ILL) couplée avec des calculs de dynamiques moléculaire ab-initio (VASP). Les résultats obtenus via les études structurales et de dynamique de réseau montrent que l’activation de la mobilité ionique est liée à la transition vers la structure désordonnée Imma, qui implique une dynamique importante des chaines GaO4 et une diffusion unidimensionnel le long des canaux lacunaires. Ces résultats ont pu être reproduits par calculs de dynamique moléculaire, dans lesquels la diffusion ne concerne que les oxygènes des plans tétraédriques, et s’expliquent par des paramètres de maille a et c qui sont significativement augmentés par rapport à (Ca/Sr)FeO2.5. / Oxygen ion conductors operating at low temperature, below 300 ° C, are materials of major interest for several applications in the area of solid state ionicsas solid fuel cells, batteries, electrodes, sensors, catalysts, etc. However till now, the solid oxygen ion conductor works reasonably only at high temperatures above 800 ° C, which limits their application. In the search for improved oxygen ion conductors Brownmillerite structures ( ABO2.5 eq. A2B2O5 ) has always played an important role, especially in the low temperature regime where the dynamics of the tetrahedral chain induced mobility of oxygen. In this context, we have synthesized a new phase Sr1-xBaxScGaO5 with x = 0 (SSGO) and x = 0.1 (SBSGO) containing diamagnetic 3d0 ions to have a pure ion conductor. Depending on the synthesis route, the compound has two polymorphs, orthorhombic and cubic, which are both important for the oxygen conductivity. The reaction in the solid state leads to an orthorhombic Brownmillerite-type structure, while tmeling synthesis (using the Travelling Floating Zone method FTZ ) gives an oxygen-deficient Perovskite structure. The structures of both polymorphs were analyzed using the neutron powder diffraction as function of the temperature (D2B@ILL). A detailed analysis of SSGO Brownmillerite type shows that the Sc occupies octahedral sites, while the Ga occupies exclusively the tetrahedral ones. This cation ordering is unusual for the Brownmillerite structures. Moreover Sr2-xBaxScGaO5 undergoes a phase transition from an ordered configuration of the tetrahedral chains (GaO4) characteristic of I2mb space-group at room temperature, toward a disordered one characteristic of Imma space group (500 ° C). This important result confirms that the disorder of the tetrahedral chains is dynamic and it is the key to have oxygen ion conductor at moderate temperatures. Synthesis at elevated temperatures (up to melting point) gives a cubic structure Pm ̅m, stable up to 1000 ° C. The Perovskite -type structure is highly oxygen deficient. The mobility of the oxygen of these new compounds was studied by thermogravimetry analysis (TGA) coupled with mass spectrometry (MS) after the isotope exchange 18O-16O, by Raman and NMR spectroscopy coupled with theoretical ab-initio calculations (WIEN2k), by inelastic neutron scattering (IN6@ILL) coupled with calculations of ab-initio molecular dynamics (VASP ) . The results obtained from the structural and the lattice dynamics studies show that activation of the ion mobility is related to the transition to a disordered structure Imma, which implies an important dynamics of the chains GaO4 and the diffusion along the one-dimensional vacancy channel. These results have been reproduced by molecular dynamics calculations, in which the diffusion pathway is due only to the oxygen in the tetrahedral planes.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2007. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 164-176).

Much recent research has focused on the development lead-free perovskite piezoelectrics as environmentally compatible alternatives to lead zirconate titanate (PZT). Two main categories of lead free perovskite piezoelectric ceramic systems were investigated as potential replacements to lead zirconate titanate (PZT) for actuator devices. First, solid solutions based on Li, Ta, and Sb modified (K���.���Na���.���)NbO��� (KNN) lead-free perovskite systems were created using standard solid state methods. Secondly, Bi-based materials a variety of compositions were explored for (1-x)(Bi���.���Na���.���)TiO���-xBi(Zn���.���Ti���.���)O��� (BNT-BZT) and Bi(Zn���.���Ti���.���)O������(Bi���.���K���.���)TiO������(Bi���.���Na���.���)TiO��� (BZT-BKT-BNT). It was shown that when BNT-BKT is combined with increasing concentrations of Bi(Zn[subscript 1/2]Ti[subscript 1/2])O��� (BZT), a transition from normal ferroelectric behavior to a material with large electric field induced strains was observed. The higher BZT containing compositions are characterized by large hysteretic strains (> 0.3%) with no negative strains that might indicate domain switching. This work summarizes and analyzes the fatigue behavior of the new generation of Pb-free piezoelectric materials. In piezoelectric materials, fatigue is observed as a degradation in the electromechanical properties under the application of a bipolar or unipolar cyclic electrical load. In Pb-based materials such as lead zirconate titanate (PZT), fatigue has been studied in great depth for both bulk and thin film applications. In PZT, fatigue can result from microcracking or electrode effects (especially in thin films). Ultimately, however, it is electronic and ionic point defects that are the most influential mechanism. Therefore, this work also analyzes the fatigue characteristics of bulk polycrystalline ceramics of the modified-KNN and BNT-BKT-BZT compositions developed. The defect chemistry that underpins the fatigue behavior will be examined and the results will be compared to the existing body of work on PZT. It will be demonstrated that while some Pb-free materials show severe property degradation under cyclic loading, other materials such as BNT-BKT-BZT essentially exhibit fatigue-free piezoelectric properties with chemical doping or other modifications. Based on these results, these new Pb-free materials have great potential for use in piezoelectric applications requiring a large number of drive cycles such as MEMS devices or high frequency actuators. / Graduation date: 2013

My main objective is to gain a firm understanding of the correlation between the defect chemistry and the properties of Ba-based perovskite structure proton-conducting ceramics, especially B-site doped BaCeO3, so as to allow the engineering of these compounds with the desired properties for the application in devices; develop membranes of mixed protonic-electronic conductors suitable for hydrogen separation from gas mixtures; and further advance hydrogen separation technology by gaining fundamental understanding about electrochemical separation mechanism. BZCY proton conductors with various compositions have been synthesized and characterized. The absence of low-angle supercell reflections indicates a random B-site cation distribution. The substitution of Zr led to a decrease in cell volume and an enhanced structural stability against reactions with CO2. The total conductivity for BZCY pellets increased with temperature increased and decreased as the zirconium content increased at each fixed temperature. Dense Ni-BZCY composite membranes have been successfully fabricated for evaluating hydrogen permeability and stability. Doping Zirconium in the B-site only slightly reduced the hydrogen permeation at high temperatures, but dramatically increased the chemical stability in CO2- and H2O-containing gases. Among the compositions studied, the Ni-BZCY7 exhibited both highest H2 permeation rate and good chemistry stability, thus having potential for practical applications.

Cette thèse vise à trouver des approches possibles pour l’amélioration des propriétés électromécaniques de monocristaux piézoélectriques à base de KNN. La TSSG et la SSSG sont entreprises afin de faire croître des monocristaux La conclusion de l'aspect de croissance cristalline est: (1) Pour chaque élément pris individuellement, leurs coefficients de ségrégation reposent fortement sur leurs concentrations initiales dans la solution liquide. (2) La compétition entre éléments occupant le même site du réseau est démontrée. (3) Le très faible coefficient de ségrégation de Li dans la matrice KNN est responsable de l'apparition d'une phase secondaire présentant la structure bronze de tungstène quadratique. (4) Les régions optiquement laiteuses observées dans les monocristaux diminuent la réponse électrique et peuvent être réduites par traitement thermique et refroidissement lent. Dans la deuxième partie, nous avons utilisé trois approches pour améliorer le comportement piézo/ferroélectrique des monocristaux à base de KNN. La Ta ou Sb substitution indique qu'une réponse électromécanique améliorée est obtenue lorsque la transition orthorhombique-quadratique est à proximité de la température ambiante. Le traitement thermique sous atmosphère d'O2 pur a conduit au doublement de la valeur du coefficient piézoélectrique et des paramètres ferroélectriques d'un monocristal de (K,Na,Li) (Ta,Nb,Sb)O3. Son coefficient piézoélectrique à la température ambiante, qui constitue un record mondial à l’heure actuelle vis-à-vis de ce qui est reporté dans la littérature internationale, vaut 732 pC/N. La troisième approche consiste au dopage des monocristaux de (K,Na,Li)(Ta,Nb)O3 avec Mn. / The thesis aims to find possible approaches for improved electromechanical properties in KNN-based piezoelectric single crystals. Both submerged-seed and top-seeded solution growth techniques were employed to produce single crystals. Conclusions from the crystal growth aspect are: (i) For individual elements, segregation coefficients highly rely on the initial concentration in the liquid solution. (ii) A competition between elements occupied on the same lattice site was found. (iii) The very low Li segregation coefficient in the KNN matrix is responsible for the occurrence of a secondary phase with the tetragonal tungsten bronze structure. (iv) Observed optically-cloudy regions in as-grown crystals decrease the electrical response and can be reduced by thermal treatment with slow cooling. In the second part, we used three approaches to enhance the piezoelectric and ferroelectric behavior of KNN-based single crystals. Ta or Sb substitutions indicates that enhanced electromechanical response is achieved when the orthorhombic-tetragonal phase transition is near room temperature. Thermal treatment in pure O2 atmosphere resulted in a twofold increase of the piezoelectric coefficient and ferroelectric parameters of a (K,Na,Li)(Ta,Nb,Sb)O3 single crystal. The highest room-temperature piezoelectric coefficient in annealed KNN-based single crystals of 732 pC/N was obtained. The third approach, doping with Mn ions in (K,Na,Li)(Ta,Nb)O3 single crystals, is also presented.

Les solutions solides appartenant au système quasi-ternaire BaTiO3-CaTiO3-BaZrO3 (BCTZ) sont des candidates prometteuses pour les piézoélectriques sans plomb. Ce travail de thèse expérimental est consacré à la cristallogenèse et à la caractérisation de différents monocristaux dans le système BCTZ : BaZrO3, CaTiO3 ainsi que les solutions solides Ba1-xCaxTi1-yZryO3 présentant des teneurs en zirconium (Zr) et en calcium (Ca) proches de celles de la composition Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-50(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BZT-50BCT) où les performances piézoélectriques sont exacerbées.Les monocristaux de CaTiO3 et de BaZrO3 ont été obtenus à la fois depuis une solution à haute température par la méthode du flux et à partir de leur phase fondue par la technique de la zone flottante optique. Dans le cas de CaTiO3 obtenu dans un four à image à 1975°C, l'aluminium (Al), le magnésium (Mg) et le baryum (Ba) ont été détectés comme étant les principales impuretés. Les spectres Raman de CaTiO3 sont en bon accord avec les spectres référencés dans la littérature. La croissance cristalline de BaZrO3 est beaucoup plus difficile à cause de son point de fusion très élevé (2700°C). Le flux BaB2O4 a été utilisé avec succès pour faire croitre des cristaux d’environ 150-200μm à 1350°C, soit à la moitié de son point de fusion. Des boules de BaZrO3 de taille centimétrique ont également été obtenues à partir de la phase fondue en four à image. Les impuretés majoritaires telles le strontium (Sr), l’hafnium (Hf), le calcium (Ca) et le titane (Ti) ont été détectées par GDMS et SIMS dans une gamme de concertation atomique de 0.3-0.5%. L’énergie de gap optique est d'environ 4,8 eV et souligne la grande qualité des cristaux de BaZrO3 obtenus en four à image. Les propriétés diélectriques à basse température de BaZrO3 confirment l'absence de transition de phase structurelle. Les études de Raman révèlent que même si BaZrO3 n'a pas de transition de phase à basse température, il présente une transition de phase cubique-quadratique sous haute pression à 11GPa à température ambiante.Dans la deuxième partie de cette thèse, des monocristaux centimétriques de BCTZ ont été obtenus avec succès par la croissance en flux. Les profils de concentrations en Ca et Zr le long des boules indiquent que leurs coefficients effectifs de ségrégation dépendent fortement de leur concentration initiale dans la solution liquide. Ceux-ci évoluent considérablement au cours du processus de cristallogenèse, rendant ainsi la croissance de BCTZ très délicate en vue d’obtenir des compositions constantes et proches de celles de la région de convergence de phases. De plus, une décomposition spinodale a été mise en évidence, indiquant la coexistence de deux solutions solides de compositions proches au sein des cristaux de BCTZ. Les propriétés diélectriques et piézoélectriques des cristaux obtenus ont été déterminées et présentent des caractéristiques allant du ferroélectrique classique au relaxeur. Les mesures diélectriques montrent notamment une double boucle d'hystérésis (PE) anormale qui disparaît après polarisation. / Solid solutions belonging to BaZrO3–BaTiO3–CaTiO3 (BCTZ) pseudo-ternary system are promising candidates for lead-free piezoelectrics. This thesis aims at growing and characterizing various single crystals of the BCTZ system: the end members BaZrO3 and CaTiO3 as well as Ba1-xCaxTi1-yZryO3 solid solution compounds with zirconium (Zr) and calcium (Ca) contents close to Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-50(Ba0.7Ca0.3)TiO3 composition (BZT-50BCT) where high piezoelectric performances are expected.CaTiO3 and BaZrO3 single crystals were both grown from high temperature solution by the flux method and from the melt by the optical floating zone technique. In the case of CaTiO3 grown with a mirror furnace at 1975°C, aluminum (Al), magnesium (Mg) and barium (Ba) as main impurities were detected. The Raman spectra of CaTiO3 are in good agreement with the spectra referenced in the literature. The growth of BaZrO3 was more challenging because of its very high melting point (2700°C). BaB2O4 flux was successfully used to produce 150-200 μm-sized BaZrO3 crystals at half its melting point (1350°C) and bulk centimeter-sized BaZrO3 boules were grown from the melt. Sr, Hf, Ca and Ti were detected by GDMS and SIMS as main impurities in the range of 0.3-0.5 at.%. The optical band gap is found to be ~4.8 eV and indicates the high quality of the BaZrO3 crystals grown with mirror furnace. Low temperature dielectric properties of BaZrO3 are displayed and confirmed the absence of structural phase transition. Raman investigations reveal that even though BaZrO3 does not have any phase transition at low temperatures, it exhibits a high-pressure phase transition from cubic to tetragonal at 11GPa at room temperature.In the second part, BCTZ centimeter-sized single crystals have been successfully grown by the top seeded solution growth technique. Ca and Zr content profiles throughout the as-grown boules indicate that their effective segregation coefficients are highly dependent on their initial concentration in the liquid solution. Concentrations evolve substantially during the crystal growth, making the BCTZ crystal growth a tricky issue when a narrow compositions range is targeted, as in the vicinity of the phase convergence region. Furthermore, spinodal decomposition was observed, indicating the coexistence of two solid solutions with close compositions in BCTZ crystals. Dielectric and piezoelectric properties were measured for some crystals, which were found to display a variety of behavior form relaxor to pure ferroelectric. In addition, an abnormal double-like PE hysteresis loop was observed, that was associated to an irreversible effect disappearing upon poling.

Dans la première partie de mon travail, j'ai préparé quatre catalyseurs différents à base d'oxydes de manganèse: une perovskite (LaMnO3), par voie sol-gel; un oxide simple (Mn2O3), par méthode rapide et un tamis moléculaire octahedrique (OMS-2) par deux méthodes de préparation différentes, via l'état solide (OMS) et la méthode hydrothermale (OMSh). Les propriétés physicochimiques de ces catalyseurs ont été caractérisées par diffraction des rayons X (DRX), adsorption-désorption de N2, analyses thermogravimétriques (ATD/ATG), analyses chimiques (ICP-OES) et réduction en température programmée (H2-RTP). Leurs performances catalytiques ont été évaluées dans la réaction d’oxydation du toluène. Trois cycles catalytiques consécutifs ont été réalisés pour chaque catalyseur afin de confirmer les performances. Afin d'évaluer la stabilité des catalyseurs dans des conditions réactionnelles, les performances catalytiques ont été étudiées sur des expériences de longue durée à température constante, pendant 24 h à 25% de conversion du toluène. Des tests d'oxydation du toluène sur un catalyseur de référence, type Pd/Al2O3 contenant 0,78% en poids de Pd, ont également été effectués à des fins de comparaison. Les caractéristiques cristallines détectées dans les modèles DRX sont bien compatibles avec la formation des structures désirées. Sur la base de leur surface spécifique et de leur réductibilité à basse température, les catalyseurs ont été classés comme suit : OMSs > Mn2O3 > OMS > LaMnO3. Cette tendance est en bon accord avec les performances observées dans l'élimination catalytique du toluène. Un modèle cinétique a été proposé et un bon accord a été obtenu lors de l'ajustement avec les données expérimentales. Dans la seconde partie de mon travail, des catalyseurs LaMnO3 (LM) avec un rapport molaire acide citrique (CA) sur nitrates métalliques (Mn et La) allant de 0,5 à 2 (LM 0,5 à LM 2) ont été synthétisés par méthode sol-gel citrate, afin d'étudier l'effet du rapport de l'acide citrique sur les propriétés physico-chimiques et les performances catalytiques. Les propriétés physicochimiques de ces catalyseurs ont été caractérisées par diffraction des rayons X (DRX), adsorption-désorption de N2 et par spectroscopie d'émission atomique de plasma à couplage inductif (ICP-AES). Sur des échantillons sélectionnés, des caractérisations supplémentaires par analyse thermogravimétrique et thermique différentielle (ATD/ATG), une réduction programmée en température par de l'hydrogène (H2-TPR) et une spectroscopie de photoélectrons X (XPS) ont été réalisées. Les résultats montrent que le rapport molaire acide citrique sur nitrates métalliques influence significativement le profil obtenu en ATD/ATG des solides non calcinés ainsi que les propriétés physico-chimiques des catalyseurs. Les caractéristiques cristallines détectées par DRX sont bien compatibles avec la formation de la phase perovskite LaMnO3. De petites caractéristiques de Mn2O3 ont été détectées dans les diagrammes de diffraction de tous les catalyseurs LM, à l'exception du rapport molaire élevé des nitrates CA / (Mn + La) (1,9 et 2,0). Inversement, des pics La2O3 sont observés pour des valeurs allant de 1,6 à 2, l'intensité la plus élevée étant détectée au rapport molaire égal à 2. Les performances catalytiques ont été évaluées dans l'oxydation du toluène en réalisant trois cycles catalytiques consécutifs pour atteindre des performances stables. Afin d'évaluer la stabilité des catalyseurs dans des conditions de réaction, des expériences à température constante ont été effectuées pendant 24 h à 17% de conversion du toluène. Les catalyseurs LM1.2, LM1.3 et LM1.5 ont montré les meilleures performances catalytiques en oxydation totale du toluène, tandis que LM1 et LM1.7 présentaient un comportement intermédiaire et LM0.8 était peu actif / In the first part of my work, I have prepared four different catalysts based on manganese oxides: a perovskite (LaMnO3), via sol-gel method; a simple oxide (Mn2O3), by rapid method and an Octahedral Molecular Sieve (OMS-2) by two different preparation methods, via solid state (OMSs) and hydrothermal method (OMSh). The physicochemical properties of these catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD), N2 adsorption–desorption, TGA/DTA, ICP-OES and H2-TPR. Their catalytic performances were evaluated in the oxidation of toluene. Three consecutive catalytic cycles were performed for each catalyst in order to reach steady state performances. In order to assess the stability of the catalysts under reaction conditions, the catalytic performances were studied upon long-term experiments running for 24 h at 25% of toluene conversion. Tests of toluene oxidation over a typical industrial catalyst, such as a commercial Pd/Al2O3 catalyst containing 0.78 wt% Pd, were also performed for comparison purposes. The crystalline features detected in the XRD patterns are well consistent with the formation of the desired structures. Based on their specific surface area and their low-temperature reducibility, the catalysts were ranked as follows: OMSs> Mn2O3> OMSh> LaMnO3. This trend was in good agreement with the performances observed in the catalytic removal of toluene. A kinetic model was proposed and a good agreement was obtained upon fitting with the experimental data. In the second part of my work, LaMnO3 (LM) catalysts with molar ratio of citric acid (CA) to metal nitrates (Mn and La) ranging from 0.5 to 2 (LM 0.5 to LM 2) were synthesized by citrate sol–gel method, in order to study effect of citric acid ratio on the physico-chemical properties and the catalytic performances. The physicochemical properties of these catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD), N2 adsorption–desorption and by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES). Over selected samples, additional characterizations by thermogravimetric and differential thermal analysis (TGA/DTA), temperature-programmed reduction by hydrogen (H2-TPR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were carried out. The results show that the molar ratio of citric acid to metal nitrates significantly influenced the TGA/DTA profile of gels along with the physico-chemical properties of the catalysts. The crystalline features detected by XRD are well consistent with the formation of LaMnO3 perovskite phase. Small features of Mn2O3 were detected in the diffraction patterns of all LM catalysts except for high CA/Mn+La nitrates molar ratio (1.9 and 2.0). Conversely, La2O3 peaks appeared for values ranging from 1.6 to 2, the highest intensity being detected at molar ratio equal to 2. The catalytic performances were evaluated in the oxidation of toluene, performing three consecutive catalytic cycles in order to reach steady-state performances. In order to assess the stability of the catalysts under reaction conditions, long-term experiments running for 24 h at 17 % of toluene conversion were carried out. The catalysts LM1.2, LM1.3 and LM1.5 showed the best catalytic performances in terms of toluene conversion, LM0.8 was poor performing, while LM1 and LM1.7 exhibited an intermediate behaviour

In this thesis, we investigate the nature of charge carrier generation, relaxation and recombination in a range of lead halide perovskites. We focus on understanding whether the photophysical behaviour of these perovskite materials is like that of highly-ordered inorganic crystalline semiconductors (exhibiting ballistic charge transport) or disordered molecular semiconductors (exhibiting strong electron-phonon coupling and highly localised excited states) and how we can tune these photophysical properties with inorganic and organic additives. We find that the fundamental photophysical properties of lead halide perovskites, such as charge carrier relaxation and recombination, arise from the lead halide lattice rather than the choice of A-site cation. We show that while the choice of A-site cation does not affect these photophysical properties directly, it can have a significant impact on the structure of the lead halide lattice and therefore affect these photophysical properties indirectly. We demonstrate that lead halide perovskites fabricated from particular inorganic and organic A-site cation combinations exhibit low parasitic trap densities and enhanced carrier interactions. Furthering our understanding of how the photophysical properties of these materials can be controlled through chemical composition is extremely important for the future design of highly efficient solar cells and light emitting diodes.

Depuis les années 70, les oxydes mixtes de type hexaaluminate suscitent un intérêt certain pour les réactions catalytiques du fait de leur stabilité thermique élevée qui leur confère un fort potentiel pour les réactions à haute température. Cependant, la majorité des procédés de synthèse adoptés pour la préparation de ces derniers nécessite au moins une étape de traitement thermique à haute température afin d'achever le processus de cristallisation. Ainsi, les hexaaluminates préparées par voie chimique classique présentent des tailles de particules larges et des aires spécifiques réduites (< 20 m2 g-1). Dans le cadre de ce travail, l'optimisation des paramètres et des conditions de synthèse pour la préparation d'hexaaluminate nanocristalline de grande aire spécifique a fait l'objet d'une étude détaillée. Le broyage réactif s'est révélé être une méthode de synthèse efficace, et des aires spécifiques très élevées ont été obtenues (> 70 m2 g-1). Il a été observé que la nature et la concentration du métal de transition inséré dans la structure influence fortement les propriétés redox et la mobilité d'oxygène de ces solides. Cependant, pour une même composition chimique, les propriétés redox et la mobilité de l'oxygène sont conditionnées par les propriétés structurales et texturales. L'étude des propriétés catalytique des hexaaluminates en oxydation de CH4 et de CO a montré que l'activité de ces derniers résulte d'un équilibre complexe entre les propriétés texturales et structurales, l'état de la surface (nature et concentration des sites redox), et les propriétés de réductibilité et de mobilité d'oxygène. / Since the beginning of the 1970's, hexaaluminate mixed oxides gained were studied as active materials for catalytic reaction at high temperature, e.g. catalytic combustion. Their abilities to maintain phase stability and high surface area are considered of a great interest. Unfortunately, most of the reported chemical synthesis methods for hexaaluminate preparation involve at least one calcination step at high temperature (> 1100 °C) to crystallize the desired pure phase, which leads to crystal growth and unavoidable surface reduction.The catalytic performance of hexaaluminate materials depends essentially to the structural and textural properties i.e. surface area, crystal size, and phase purity. Thus the first part of this study was dedicated to the development of an original synthesis route, the "Activated Reactive Synthesis" process that is evidenced as a promising top down approach to generate nanostructured hexaaluminate with high surface area. Values of surface areas obtained were largely higher (>77 m2 g-1) to those reported for hexaaluminates prepared by conventional routes (~ 20 m2 g-1). The nature of the transition metal Mn+ inserted in the hexaaluminate structure, as well as its concentration, plays a key role on the redox behaviours and the oxygen transfer properties. Nevertheless, for a same chemical composition, the redox properties and oxygen mobility was found to be dependent to the structural and textural properties. Activities of hexaaluminate materials in oxidation reaction of CO and CH4 is reported to depend on a complex balance between structural and textural properties, surface state, reducibility, and oxygen mobility in the bulk.

The Master‘s thesis deals with the topic of perovskite solar cells with the main focus on the materials used for the active layer. In the introductory part, the electrical and optical properties of halide perovskites are described and specific examples of perovskite crystals are introduced. The description of impedance and photoimpedance measurement methods used for characterization of perovskite solar cells is also included in the thesis. The measurement of electrochemical impedance spectroscopy was conducted on four perovskite crystals and equivalent circuit was formed to fit the obtained data. Parameters of the circuit elements were acquired using the fitting method and were further evaluated in experimental part of this thesis.