Nous nous sommes attaché à étudier les liens entre propriétés cristallographiques et magnétiques de phases intermétalliques R M-B où R est un élément de terres rares, l'yttrium ou le thorium et M un métal de transition 3d. La présence de bore dans l'environnement atomique des sites de métaux de transition, notamment, agit fortement sur les propriétés magnétiques tant à l'échelle macroscopique que microscopique.<br />Nous apportons une contribution à l'étude des propriétés magnétiques particulières du composé YCo4B, composé modèle et de référence de la famille Rn+mCo3n+5mB2n. L'anisotropie magnétocristalline originale de ce composé est caractérisée à la fois par une réorientation de spin et un processus d'aimantation du premier ordre. Elle s'avère également fort sensible à la pression comme l'ont montré nos mesures magnétiques. La substitution du fer au cobalt dans les composés RCo4B est possible et donne lieu à un schéma préférentiel comme l'illustre nos mesures de diffraction des neutrons. En combinant ces résultats à des mesures magnétiques diverses et de spectroscopie Mössbauer, les propriétés magnétiques de chaque site cristallographique de métaux de transition 3d ont pu être particularisées.<br />Nous avons étudié la solution solide Y1-xThxCo4B et montré l'existence d'une substitution préférentielle du thorium à l'yttrium sur un site cristallographique. Ces deux éléments R non magnétiques ont des effets différents sur les propriétés magnétique des composés. Par comparaison à des études magnétiques sous pression, il a été possible de montrer que ces différences sont principalement dues aux différences de configuration électronique entre le thorium et l'yttrium et peu aux évolutions structurales induites par la substitution.<br />De nouveaux composés de la famille structurale Rn+mCo3n+5mB2n ont été mis à jour récemment. Nous présentons des études des conditions de synthèses et des structures magnétiques de quelques phases R3Co13B2 et R5Co19B6. Le composé Pr5Co19B6 présente notamment des anomalies magnétiques interprétables comme une réorientation de spin à basse température.<br />Nous présentons des résultats d'absorption des rayons X réalisés sur plusieurs compositions de la solution solide CeCo12-xFexB6. Dans cette structure, le cérium présente un état de valence intermédiaire qui évolue notablement en fonction de la teneur en fer. <br />Enfin, nous avons précisé les conditions de synthèse de phases métastables Nd2Fe23B3 et Y3Fe62B14, très riches en fer. Ces structures originales présentent de nombreux types d'environnements atomiques du fer ce qui en fait des composés aux propriétés magnétiques intéressantes. Nous avons notamment montré les évolutions inhabituelles de ces propriétés magnétiques entre les états amorphe et cristallisé de ces alliages.

Des nanomatériaux C-LiFePO4 d'électrode positive pour batteries lithium-ion ont été synthétisés dans différentes conditions de synthèse (rapport Li/Fe, température, traitement thermique), après mécano-activation du mélange des précurseurs. Une étude des propriétés physico-chimiques et structurales de différents matériaux C-LiFePO4 a été réalisée par les techniques classiques de la Chimie du Solide et de la Science des Matériaux : diffraction (X, neutrons et électrons), spectroscopies (Mössbauer, IR, Raman, ...) et microscopie (MEB et MET-HR) de façon à essayer de déterminer le (les) facteur(s) clé(s) à de bonnes performances électrochimiques en batteries au lithium. La combinaison des analyses des matériaux désintercalés par DRX et MET-HR nous a permis de proposer le mécanisme dit "dominocascade" pour expliquer la désintercalation / intercalation rapide du lithium dans ces matériaux « LixFePO4 » et donc leurs bonnes performances électrochimiques en batteries lithium-ion. L'effet des cyclages longue durée à différentes températures a également été étudié.

Cette étude présente les résultats de caractérisations structurales et morphologiques de multicouches discontinues métal-oxyde, composés d'un empilement de plans de nanoparticules métalliques noyées dans une matrice d'oxyde. L'amplitude de la magnétorésistance tunnel dans ces matériaux dépend de l'organisation du métal à plusieurs échelles. De multiples techniques ont été utilisées afin de sonder l'ordre local structural et magnétique (XAFS, Spectroscopie Mössbauer), l'ordre à moyenne distance (Réflectivité X, GISAXS, MET) et l'ordre à grande distance (Diffraction X). Les données issues de ces différentes techniques sont comparées et confrontées à celles des mesures magnétiques. Trois systèmes ont été étudiés, Fe/ZrO2, Co/ZrO2 et Co/SiO2, en faisant varier l'épaisseur de la couche nominale de métal déposé eM, la température du recuit TR effectué après l'élaboration par pulvérisation cathodique et la vitesse de dépôt des couches. Les ions paramagnétiques mis en évidence en périphérie des nanoparticules ne font pas partie intégrante d'une couche d'un oxyde connu du métal déposé. Ils sont « morts » du point de vue des propriétés magnétiques et électriques. La fraction d'atomes « morts » est plus importante avec la zircone qu'avec la silice et peut être diminuée en augmentant TR, eM et/ou en diminuant la vitesse de dépôt. La valeur de eM correspondant au seuil de percolation dans le plan des couches est déplacée vers les grandes valeurs de eM en augmentant TR. Le mouillage métal-oxyde est important avec la zircone (comparée à la silice) et avec le fer (comparée au cobalt). La morphologie des couches granulaires qui en résulte, notamment la taille des particules, détermine le comportement superparamagnétique ou ferromagnétique des particules. Pour chaque système métal-oxyde, un diagramme schématique (TR, eM) résume les propriétés magnétiques, structurales et morphologiques observées.

La diffraction des neutrons avec substitution isotopique du fer combinée avec des simulations structurales (Empirical Potential Structure Refinement, EPSR) a permis de sonder les sites de Fe2+ et de Fe3+ dans un verre NaFeSi2O6 oxydé. Cette étude met en évidence la présence de deux sites pour Fe3+. 70% du Fe3+ est en site tétraédrique (dFe3+-O=1.866±0.001 Å), le reste de Fe3+ et tout Fe2+ (~12% de Fetot) est en coordinence 5. Fe3+ en coordinence 4 jouerait un rôle de formateur de réseau, alors que le fer en coordinence 5 a tendance à ségréger et jouerait le rôle de modificateur. La présence de cette espèce, bien que minoritaire, permettrait d'expliquer les variations de certaines propriétés physiques des verres contenant du fer. Le remplacement progressif de Fe par Al a été étudié le long du joint NaFeSi2O6- NaAlSi2O6 en utilisant la diffraction des neutrons combinée avec des simulations EPSR. Quelle que soit la teneur en fer (et en aluminium), les rôles structuraux de Fe, Al3+ et Si4+ ne sont pas modifiés. Quelle que soit la teneur en aluminium, Al (en coordinence 4) est réparti de façon aléatoire dans le réseau, ce qui est en accord avec un rôle de formateur. Il en est de même pour le fer : les deux populations mises en évidence dans le pôle NaFeSi2O6 ainsi que les rôles structuraux qu'on leur a assignés sont conservés jusqu'au pôle NaAlSi2O6. Pour la première fois, la spectroscopie d'absorption des rayons X (XANES) aux seuils L2,3 de l'aluminium a été utilisée pour suivre l'évolution de l'environnement de l'aluminium dans ces verres. Enfin, la spectroscopie Mössbauer a permis de déterminer le rapport redox du fer le long du joint.

Certains matériaux multiferroiques présentent simultanément un ordre magnétique et ferroélectrique. Dans certains de ces composés, les deux paramètres d'ordre sont couplés et l'application d'un champ magnétique peut réorienter la polarisation électrique. Cette interaction est appelée "couplage magnétoélectrique" et rend ces composés particulièrement attractifs d'un point de vue fondamental et technologique. Nous avons élaboré des monocristaux de BiFeO3 et Bi0,45Dy0,55FeO3 par une technique de croissance en flux. Nous présentons une étude détaillée de leurs propriétés physiques et montrons que les deux composés sont ferroélectriques à température ambiante. La résistivité élevée des cristaux de BiFeO3 nous a permis de mesurer une forte polarisation spontanée de 100 μC/cm², proche de la valeur théorique. Comme l'existence d'une structure magnétique cycloïdale interdit un effet magnétoélectrique linéaire dans ce composé, nous avons choisi de substituer Bi par Dy et d'étudier le composé Bi0,45Dy0,55FeO3. Les premiers résultats obtenus sur ce composé sont présentés et comparés avec les propriétés magnétiques et électriques de BiFeO3. Enfin, l'étude magnétoélectrique à température ambiante par diffraction de neutrons sur un monocristal de BiFeO3 est également présentée. Nous montrons que l'application d'un champ électrique conduit à une modification notable des domaines ferroélectriques, ferroélastiques et antiferromagnétiques. En particulier, nous mettons en évidence à température ambiante un couplage entre aimantation et polarisation électrique dans le composé multiferroïque BiFeO3.

Ce travail de thèse s'articule selon deux axes principaux et vise à modéliser, au moyen de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), des grandeurs spectroscopiques (Mössbauer, RPE et magnétisme) mesurées pour des systèmes bioinorganiques à base de fer. La première partie de ce travail est relative au calcul théorique de deux quantités caractéristiques issues de la spectroscopie Mössbauer : le déplacement isomérique Δ et de l'éclatement quadripolaire ΔEQ. Dans un premier temps, des corrélations calculs-expérience ont été mises en place pour l'étude de simples complexes de fer. Dans un second temps, nous nous sommes intéressée à l'étude d'un système biologique, la catalase, qui est un composé héminique à base de fer, afin d'en caractériser les différentes formes. La seconde partie de ce travail a été dédiée à la rationalisation des variations conjointes de deux grandeurs spectroscopiques RPE : la valeur moyenne de tenseur , gav (= (∑gi)/3), et la constante d'échange effective, Jeff. Nous avons considéré un ensemble d'agrégats de type [2Fe-2S] issus de systèmes biologiques (ferrédoxines, protéines Rieske, xanthine oxidases, etc) et nous avons modélisé ces derniers paramètres via un modèle phénoménologique mettant en compétition deux termes antagonistes : le terme B de double-échange traduisant la délocalisation électronique entre les sites de fer et le terme de piégeage ΔE.contribuant à la localisation préférentielle de l'électron réducteur sur l'un des deux sites de fer. Nous avons pu exprimer analytiquement gav et Jeff en fonction du ratio ΔE/B et expliquer la source des variations observées.

Les diverses perovskites de strontium-fer présentent de très fortes corrélations entre la structurecristalline et les phénomènes d’ordre de lacunes d’oxygènes, de charge, de spin et d’orbitales. Danscette thèse, nous avons réalisé une étude systématique des relations entre les ordres de charges etles ordres de spins selon les différents environnements cristallographiques rencontrés pour lescations Fe3+ et Fe4+ dans la phase Sr4Fe4O11, pour le cation Fe3+ dans les phases Sr3Fe2O6 et Sr2Fe2O10et pour le cation Fe2+ dans la phase SrFeO2. Les synthèses des phases polycristallines furent réaliséesvia des voies « solide » ou « sol-gel » en complément de la synthèse de cristaux préparés à l’aide d’unfour à image à fusion de zone verticale pour les phases Sr4Fe4O11 et Sr2Fe2O10. La qualité cristalline etchimique des oxydes fut contrôlée par diffraction de rayons X sur poudre et spectroscopieMössbauer alors que l’étude de la structure électronique de chaque phase a été réalisée à l’aide despectroscopie d’absorption de rayons X. Finalement, les structures magnétiques des phases Sr3Fe2O6et Sr4Fe4O11 sont aussi présentées. / The relationship of the crystallographic, magnetic, and electronic structure have long been of highinterest in research. Strontium iron oxides have structural, charge, spin, and orbital degrees offreedom, and thus give rich information to study for the condensed matter scientists. In this thesis,we have systematically studied the strontium iron oxides based on the freedom of the iron charge:Fe3+ and Fe4+ mixed valence compound SrFeO2,75 , Fe3+ compound Sr3Fe2O6 and SrFeO2,5 with differentcoordination around Fe3+ and Fe2+ compound SrFeO2. The synthesis of the polycrystalline compoundsare through either solid state reaction or sol-gel method. Single crystals of SrFeO2,75 and SrFeO2,5have been prepared by floating zone furnace. The purity of all the compounds is checked by lab x-raydiffraction and Mössbauer spectroscopy. Electronic structures have been studied by x-ray absorptionspectroscopy for all these compounds. Special efforts have been used to investigate the magneticstructure of SrFeO2,75 and Sr3Fe2O6 .

Ce mémoire est consacré à l’étude des composites à base de phosphates de type NASICON comme matériaux d’électrode pour batteries sodium-ion : Na1+xFexTi2-x(PO4)3/C et Na1+xFexSn2-x(PO4)3/C avec 0 ≤ x ≤ 1. Ces composites ont été synthétisés par voie solide suivie d’une pyrolyse avec le saccharose. Ils sont constitués de particules ayant une porosité élevée et enrobées par du carbone conférant à l’électrode une bonne conductivité ionique et électronique. Les mécanismes réactionnels se produisant lors des cycles de charge-décharge ont été analysés en mode operando par diffraction des rayons X, spectroscopies Mössbauer du 57Fe et de 119Sn et spectroscopie d’absorption X. Pour les composites fer-titane, ces mécanismes sont essentiellement basés sur la diffusion des ions Na+ dans les canaux des phases cristallisées avec changements d’état d’oxydation des métaux. Pour les composites fer-étain, les mécanismes sont plus complexes incluant insertion, conversion conduisant à la destruction des phases NASICON, puis formation d’alliages NaxSn. Les meilleures performances électrochimiques ont été obtenues pour Na1,5Fe0,5Ti1,5(PO4)3/C avec un potentiel de fonctionnement de 2,2 V vs Na+/Na0. Même si ces deux familles de matériaux peuvent être utilisées à plus bas potentiel, les performances doivent être améliorées pour envisager leur application comme électrode négative. / This thesis is devoted to the study of phosphate based composites with NASICON type structure, that are used as electrode materials for sodium-ion batteries: Na1+xFexTi2-x (PO4)3/C et Na1+xFexSn2-x(PO4)3/C with 0 ≤ x ≤ 1. These composites were synthesized by solid state route followed by a pyrolysis reaction with sucrose. They consist of particles having high porosity and coated with carbon giving to the electrode good ionic and electronic conductivity. The reaction mechanisms occurring during charge-discharge cycles were analyzed in operando mode, by X-ray diffraction, 57Fe and 119Sn Mössbauer spectroscopies and X-ray absorption spectroscopy. For the iron-titanium composites, the mechanisms are essentially based on the diffusion of Na+ in the channels of the crystalline phases with changes of transition metal oxidation state. For iron-tin composites, the mechanisms are more complex including insertion, conversion leading to the destruction of the NASICON phases and then reversible formation of NaxSn alloys. The best electrochemical performances were obtained for Na1,5Fe0,5Ti1,5(PO4)3/C with an operating potential of 2.2 V vs. Na+/Na0. Although these two types of materials can be used at lower potential, the performances must be improved to consider their application as the negative electrode.

Dans cette thèse nous démontrons le travail fait sur deux matériaux de cathodes pour les piles lithium-ion. Dans la première partie, nous avons préparé du phosphate de fer lithié (LiFePO4) par deux méthodes de lithiation présentées dans la littérature qui utilisent du phosphate de fer (FePO4) amorphe comme précurseur. Pour les deux méthodes, le produit obtenu à chaque étape de la synthèse a été analysé par la spectroscopie Mössbauer ainsi que par diffraction des rayons X (DRX) pour mieux comprendre le mécanisme de la réaction. Les résultats de ces analyses ont été publiés dans Journal of Power Sources. Le deuxième matériau de cathode qui a été étudié est le silicate de fer lithié (Li2FeSiO4). Une nouvelle méthode de synthèse a été développée pour obtenir le silicate de fer lithié en utilisant des produits chimiques peu couteux ainsi que de l’équipement de laboratoire de base. Le matériau a été obtenu par une synthèse à l’état solide. Les performances électrochimiques ont été obtenues après une étape de broyage et un dépôt d’une couche de carbone. Un essai a été fait pour synthétiser une version substituée du silicate de fer lithié dans le but d’augmenter les performances électrochimiques de ce matériau. / In this thesis, we demonstrate work on two different cathode materials for lithium-ion batteries. First, the synthesis of lithium iron phosphate (LiFePO4) is reproduced from literature using two lithiation methods starting with amorphous iron phosphate (FePO4). For both reactions, the product at each step of the synthesis was analyzed using Mössbauer Spectroscopy and X-ray diffraction in order to gain further insight of the reaction mechanism. The results of this work were published in Journal of Power Sources. The second cathode material of interest was lithium iron silicate (Li2FeSiO4). A novel synthetic method was developed to produce lithium iron silicate cost effectively starting with low cost precursors and basic laboratory equipment. The material was synthesized using a solid- state synthesis after milling and carbon coating, electrochemical performance was evaluated. An attempt was made to synthesize off-stoichiometric lithium iron silicate in order to increase the electrochemical performance of the material.

Des films de nitrure de zinc et d’étain (ZnSnN2) ont été élaborés par co-pulvérisation magnétron réactive à des températures proches de l’ambiante. La composition chimique des revêtements a été optimisée en ajustant les paramètres de dépôt comme la tension appliquée aux cibles métalliques, la pression de travail et la composition du gaz plasmagène. Dans les conditions optimisées, les films sont fortement cristallisés sur les différents types de substrats testés. Une étude approfondie sur la structure des films a été entreprise par microscopie électronique en transmission. Nous avons ainsi pu montrer que nos films de ZnSnN2 cristallisent dans le système hexagonal. Toutefois, cette structure diffère de celles présentées dans la littérature pour le nitrure de zinc et d’étain. Des études sur l’environnement chimique des éléments constitutifs des revêtements ont également été menées par spectrométrie Mössbauer et par photoémission X. Elles montrent que l’étain est présent dans nos films sous forme de Sn4+ en configuration tétraédrique. Nous avons également pu montrer que l’oxygène présent dans nos films est principalement localisé dans les zones inter-colonnaires. Enfin, les propriétés optiques et électriques de nos films ont été estimées en fonction de leur composition chimique. L’ensemble des résultats obtenus durant ce travail démontre la pertinence de ZnSnN2 pour des applications futures en tant que couche absorbante dans les cellules photovoltaïques / Zinc tin nitride (ZnSnN2) thin films have been deposited by reactive magnetron co-sputtering at room temperature. The stoichiometry of the films has been controlled by optimizing the deposition conditions such as the voltage applied to the metallic targets, the deposition pressure and the composition of the gas mixture. By using the optimized parameters, the deposited films are highly crystallized on the different used substrates. A special attention has been devoted to the determination of the film structure. Among the various structures reported in the literature, we have shown by transmission electron microscopy that the films crystallised in a hexagonal structure. Nevertheless, the structure of our films does not fit with that reported in the literature for the hexagonal ZnSnN2 material. In addition to this structural study, we have performed fine characterization using conversion electron Mossbauer spectrometry and X-ray photoemission spectroscopy. Both methods show that the optimized films contain Sn4+ ions in tetrahedral configuration. Nevertheless, oxygen contamination at the column boundaries has been evidenced. The electrical and optical properties of the films have been determined has a function of the film composition. The results obtained in this PhD work clearly evidence that ZnSnN2 is a suitable material for photovoltaic applications