Technologies laser pour l’élaboration de matériaux carbonés pour microsystèmes analytiques environnementaux. Pas de résumé en français fourni / Amorphous carbon nitride (a-CzN) material has attractor much attention in research and development. Recently, it has become a more promising electrode material than conventional carbon based electrodes in electrochemical and biosensor applications. Nitrogen containing amorphous carbon (a-C:N) thin films have been synthesized by femtosecond pulsed laser deposition (fs-PLD) coupled with plasma assistance through Direct Current (DC) bias power supply. During the deposition process, various nitrogen pressures (0 to 50 Pa) and DC bias (0 to -350 V) were used in order to explore a wide range of nitrogen content into the film. The structure and chemical composition of the films have been studied by using Multi-wavelength (MW) Roman spectroscopy, electron energy-loss spectroscopy (EELS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and high-resolution transmission electron microscopy (HRTBM). The surface morphology has been studied by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM). Increasing the nitrogen pressure or adding a DC bias induced an increase of the N content, up to 28 at.%. Nitrogen content increase induces a higher sp2 character of the film. However DC bias has been found to increase the film structmal disorder, which was detrimental to the electrochemical properties. Indeed the electrochemical measurern-ts, investigated by cyclic voltammetry (CV), demonstrated that the a-CzNfilms show better electron transfer kinetics, reversibility and excellent reproducibility than the pure a-C films. Electrochemical grafting from diazoniurn salts was successfully achieved on this film, with a surface coverage of covalently bonded molecules close to the dense packed monolayer of ferrocene

La précipitation et la dissolution du carbonate de calcium (CaCO3) sont des processus clés dans les systèmes naturels en raison de leur association intime avec le cycle du carbone terrestre. La précipitation se produit généralement sur des substrats étrangers en abaissant les barrières énergétiques qui contrôlent la nucléation. Ce processus appelé nucléation hétérogène résulte d'une interaction entre la sursaturation du fluide et les différentes énergies d’interface entre substrat-noyau-fluide. Malgré l’importance des énergies d’interface sur le devenir de la nucléation hétérogène, la littérature actuelle reste rare dans leurs valeurs absolues, limitant la précision de la modélisation du transport réactif. La formation des biominéraux constitue un réservoir majeur des carbonates dans la lithosphère. Des études récentes ont révélé des nucléations par multi-étapes impliquant la formation du carbonate de calcium amorphe (ACC), un intermédiaire métastable durant les premiers stades de la formation des biominéraux. De tels précurseurs amorphes permettent de réaliser les formes complexes des biominéraux, tandis que leur stabilité et leur cinétique de cristallisation sont contrôlées par de multiples facteurs. L'élucidation des mécanismes sous-jacents est bénéfique pour le développement de matériaux biomimétiques.Le premier objectif est de développer une compréhension prédictive des valeurs d'énergie d’interface régissant la nucléation hétérogène du CaCO3 en fonction des propriétés physico-chimiques spécifiques des substrats, comme l'hydrophobicité. Cette dernière est étudiée en utilisant de la phlogopite avec et sans substitution par le fluor produisant des substrats hydrophobes et hydrophiles. La technique de diffusion des rayons X aux petits angles en incidence rasante a été employée in situ pour obtenir des valeurs d’énergie effective d’interface. Il est intéressant de noter que les valeurs extraites pour les deux substrats sont similaires, et thermodynamiquement les deux fournissent un bon modèle pour la nucléation, alors que leurs mécanismes sont différents. La caractérisation ex situ par microscopie à force atomique a montré que le substrat hydrophile favorise la formation et la stabilisation d’ACC, tandis que le substrat hydrophobe favorise la formation de calcite. Ces résultats soulignent la flexibilité structurelle intrinsèque du CaCO3 et son avantage dans les processus de nucléation hétérogènes.Le deuxième objectif est de fournir une description atomistique de l'hydrophobicité du substrat. L'adsorption d'eau sur la phlogopite a été réalisée in situ par spectroscopie de photoélectrons à pression ambiante pour étudier l'effet de la substitution par le fluor et de différents types de contre-ions (K+, Na+ vs. Cs+). Ces résultats ont été interprétés par des simulations de dynamique moléculaire et la théorie de bond-valence. La combinaison de ces techniques montre que l'hydrophobicité du substrat provient d'une compétition entre deux facteurs: l'hydratation des contre-ions par rapport à celle du substrat.Le but final est d'étudier les mécanismes moléculaires par lesquels Mg2+, une impureté chez les précurseurs amorphes biogéniques, augmente la persistance cinétique d’ACC. La technique de diffusion inélastique incohérente des neutrons a été combinée avec la spectroscopie de corrélation de photons X pour élucider la dynamique à l'échelle nanométrique de l'eau et des ions dans les ACC. Les résultats montrent que la présence de Mg2+ augmente la diffusion atomique dans le solide tout en amplifiant la rigidité du réseau des liaisons hydrogène. Ces résultats contre-intuitifs sont abordés en considérant différents facteurs cinétiques inclus dans l’équation décrivant le taux de nucléation au sein de la théorie classique de la nucléation. Dans l'ensemble, ces résultats indiquent l'importance de l'eau comme stabilisant cinétique de la structure amorphe et de l'existence de barrières stériques qui abaissent le taux de cristallisation. / Precipitation and dissolution of calcium carbonate (CaCO3) are key processes in both natural and engineered systems due to their intimate association with the Earth’s carbon cycle. Precipitation usually occurs on foreign substrates since they lower the energetic barriers controlling nucleation events. This so-called heterogeneous nucleation results from the interplay between the fluid supersaturation and the interfacial free energies present at the substrate-nucleus-fluid interfaces. Despite the relevance of interfacial energies for the fate of heterogeneous nucleation, the current literature remains scarce in their absolute values, which limits the accuracy of reactive transport modelling. Of particular relevance to the carbon cycle, the formation of biominerals accounts for a major reservoir of the carbonate minerals in the lithosphere. Recent studies have revealed the existence of multistep nucleation pathways that involve formation of amorphous calcium carbonate (ACC), a metastable intermediate during the early stages of biomineral formation. Such amorphous precursors allow molding of the intricate shapes of biominerals, while their stability and crystallization kinetics are effectively controlled by multiple factors. Elucidating the underlying mechanisms is beneficial for the development of biomimetic materials.The first goal of this dissertation is to develop a predictive understanding of interfacial energy values governing CaCO3 heterogeneous nucleation as a function of specific physico-chemical properties of the substrates, such as hydrophobicity. This last was investigated using phlogopite, a common mica, with and without fluorine substitution yielding hydrophobic and hydrophilic substrates. In situ time-resolved Grazing-Incidence Small Angle X-ray Scattering experiments were performed to obtain effective interfacial energy values. Interestingly, the extracted values for both substrates were similar, and thermodynamically these substrates provide a good template for nucleation, but the pathways differ. By ex situ Atomic Force Microscopy characterization, the hydrophilic substrate was shown to promote the formation and stabilization of ACC, whereas the hydrophobic one favored the formation of calcite. These results point to the intrinsic structural flexibility of CaCO3 and its advantage in heterogeneous nucleation processes.The second goal is to provide an atomistic description of the substrate hydrophobicity/hydrophilicity. Water adsorption on phlogopite was studied in situ using Near-Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy to investigate the effect of fluorine substitution and the influence of different types of counterions (K+, Na+ vs. Cs+). The results of the spectroscopy experiments were further interpreted using molecular dynamics simulations and bond-valence theory. The combination of these techniques shows that the substrate hydrophobicity stems from a competition between two factors: hydration of counterions vs. that of substrate.The final goal is to study the molecular mechanisms by which Mg2+, a common impurity in biogenic amorphous precursors, increases the kinetic persistence of ACC. Inelastic Incoherent Neutron Scattering and X-ray Photon Correlation Spectroscopy were combined to elucidate the nanoscale dynamics of water and ions within ACC. The presence of Mg2+ was shown to enhance the atomic diffusion within the solid while simultaneously increasing the stiffness of the hydrogen bond network. These counter-intuitive results are addressed by considering the different factors included in the pre-exponential term of the nucleation rate equation within the framework of the classical nucleation theory. Overall, the results point to the importance of water as a kinetic stabilizer, and to the existence of steric barriers that lower the crystallization rate.

L'industrie du ciment est l'une des principales sources d'émission de dioxyde de carbone. L'industrie mondiale du ciment contribue à environ 7% des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Afin d'aborder les effets environnementaux associés à la fabrication de ciment exploitant en permanence les ressources naturelles, il est nécessaire de développer des liants alternatifs pour fabriquer du béton durable. Ainsi, de nombreux sous-produits industriels ont été utilisés pour remplacer partiellement le ciment dans le béton afin de générer plus d'économie et de durabilité. La performance d'un additif de ciment est dans la cinétique d'hydratation et de la synergie entre les additions et de ciment Portland. Dans ce projet, deux sous-produits industriels sont étudiés comme des matériaux cimentaires alternatifs: le résidu de silice amorphe (RSA) et les cendres des boues de désencrage. Le RSA est un sous-produit de la production de magnésium provenant de l'Alliance Magnésium des villes d'Asbestos et Thedford Mines, et les cendres des boues de désencrage est un sous-produit de la combustion des boues de désencrage, l'écorce et les résidus de bois dans le système à lit fluidisé de l'usine de Brompton située près de Sherbrooke, Québec, Canada. Récemment, les cendres des boues de désencrage ont été utilisées comme des matériaux cimentaires alternatifs. L'utilisation de ces cendres comme matériau cimentaire dans la fabrication du béton conduit à réduire la qualité des bétons. Ces problèmes sont causés par des produits d'hydratation perturbateurs des cendres volantes de la biomasse quand ces cendres sont partiellement mélangées avec du ciment dans la fabrication du béton. Le processus de pré-mouillage de la cendre de boue de désencrage avant la fabrication du béton réduit les produits d'hydratation perturbateurs et par conséquent les propriétés mécaniques du béton sont améliorées. Les approches pour étudier la cendre de boue de désencrage dans ce projet sont : 1) caractérisation de cette cendre volante régulière et pré-humidifiée, 2) l'étude de la performance du mortier et du béton incorporant cette cendre volante régulière et pré-humidifiée. Le RSA est un nouveau sous-produit industriel. La haute teneur en silice amorphe en RSA est un excellent potentiel en tant que matériau cimentaire dans le béton. Dans ce projet, l'évaluation des RSA comme matériaux cimentaires alternatifs compose trois étapes. Tout d'abord, la caractérisation par la détermination des propriétés minéralogiques, physiques et chimiques des RSA, ensuite, l'optimisation du taux de remplacement du ciment par le RSA dans le mortier, et enfin l'évaluation du RSA en remplacement partiel du ciment dans différents types de béton dans le système binaire et ternaire. Cette étude a révélé que le béton de haute performance (BHP) incorporant le RSA a montré des propriétés mécaniques et la durabilité, similaire du contrôle. Le RSA a amélioré les propriétés des mécaniques et la durabilité du béton ordinaire (BO). Le béton autoplaçant (BAP) incorporant le RSA est stable, homogène et a montré de bonnes propriétés mécaniques et la durabilité. Le RSA avait une bonne synergie en combinaison de liant ternaire avec d'autres matériaux cimentaires supplémentaires. Cette étude a montré que le RSA peut être utilisé comme nouveaux matériaux cimentaires dans le béton. / Abstract : Cement manufacturing industry is one of the carbon dioxide emitting sources. The global cement industry contributes about 7% of greenhouse gas emission to the earth’s atmosphere. In order to address environmental effects associated with cement manufacturing and constantly depleting natural resources, there is necessity to develop alternative binders to make sustainable concrete. Thus, many industrial by-products have been used to partially substitute cement in order to generate more economic and durable concrete. The performance of a cement additive depends on kinetics hydration and synergy between additions and Portland cement. In this project, two industrial by-products are investigated as alternative supplementary cementitious materials (ASCMs), non-toxic amorphous silica residue (AmSR) and wastepaper sludge ash (WSA). AmSR is by-product of production of magnesium from Alliance Magnesium near of Asbestos and Thetford Mines Cities, and wastepaper sludge ash is by-product of combustion of de-inking sludge, bark and residues of woods in fluidized-bed system from Brompton mill located near Sherbrooke, Quebec, Canada. The AmSR is new industrial by-products. Recently, wastepaper sludge ash has been used as cementitious materials. Utilization of these ashes as cementitious material in concrete manufacturing leads to reduce the mechanical properties of concretes. These problems are caused by disruptive hydration products of biomass fly ash once these ashes partially blended with cement in concrete manufacturing. The pre-wetting process of WSA before concrete manufacturing reduced disruptive hydration products and consequently improved concrete mechanical properties. Approaches for investigation of WSA in this project consist on characterizing regular and pre-wetted WSA, the effect of regular and pre-wetted WSA on performance of mortar and concrete. The high content of amorphous silica in AmSR is excellent potential as cementitious material in concrete. In this project, evaluation of AmSR as cementitious materials consists of three steps. Characterizing and determining physical, chemical and mineralogical properties of AmSR. Then, effect of different rates of replacement of cement by AmSR in mortar. Finally, study of effect of AmSR as partial replacement of cement in different concrete types with binary and ternary binder combinations. This study revealed that high performance concrete (HPC) incorporating AmSR showed similar mechanical properties and durability, compared to control mixture. AmSR improved mechanical properties and durability of ordinary concrete. Self-consolidating (SCC) concrete incorporating AmSR was stable, homogenous and showed good mechanical properties and durability. AmSR had good synergy in ternary binder combination with other supplementary cementitious materials (SCMs). This study showed AmSR can be use as new cementitious materials in concrete.

Ces travaux de recherche portent sur la conception et la réalisation de commutateurs RF basées sur l’intégration de matériaux innovants fonctionnels tels que le dioxyde de vanadium (VO2) et les alliages de chalcogénures de types Ge2Sb2Te5 (GST) et GeTe. Le principe de fonctionnement de ces composants repose sur le changement de résistivité que présentent ces matériaux. Le VO2 possède une transition Isolant-Métal (MIT) autour de 68°C à travers laquelle le matériau passe d’un état isolant (forte résistivité) à un état métallique (faible résistivité). La transition MIT présente l’intérêt de pouvoir être initiée sous l’effet de plusieurs types de stimuli externes (thermique, électrique et optique) avec de faibles temps de commutation. Les alliages de types GST et GeTe ont la particularité de commuter réversiblement entre un état amorphe à forte résistivité à un état cristallin à faible résistivité suite à un traitement thermique spécifique. Les commutateurs à base de GST ou de GeTe présentent l'avantage de pouvoir opérer en mode bistable car le changement de résistivité présenté par ces matériaux est de type non volatile. Les composants réalisés ont de bonnes performances électriques (isolation et pertes d’insertion) sur une large bande. Nos travaux de recherche visent à proposer une solution alternative aux solutions classiques (semi-conducteurs et MEMS-RF) pour réaliser des commutateurs RF qui peuvent être par la suite utilisés dans la conception des dispositifs reconfigurables (filtres, Antennes). / This research work focuses on the design and realization of RF switches based on the integration of new materials such as vanadium dioxide (VO2), Ge2Sb2Te5 (GST) and GeTe chalcogenides alloys. The operating principle of these devices is based on the resistivity change presented by these materials. VO2 exhibits a Metal-Insulator transition (MIT) around 68°C for which the material changes from an insulating state (high resistivity) to a metallic one (low resistivity). The MIT transition can be triggered in different ways (thermally, electrically and optically) with low switching time. GST and GeTe alloys have the particularity to be reversibly switched between a high resistive-amorphous state to low resistive-crystalline state, under a specific heat treatment. Thanks to the non-volatile resistivity change presented by these materials, GST/GeTe-based switches are able to operate in bistable mode. The fabricated devices exhibit good electrical performances (insertion loss and isolation) over a broadband. The aim of our work is to propose an alternative solution to conventional technologies (semiconductors and RF-MEMS), to design RF switches that can be used afterward in the design of reconfigurable devices (filters, antennas).

Le mémoire qui suit vise à vérifier si la formation de traces latentes par des ions lourds et rapides passe par une phase liquide. Compte tenu du fait que le processus de formation des traces est trop rapide pour être directement étudié, notre expérience vise à mesurer après coup des éléments qui seraient indicateurs d’une fusion. Dans cette optique, nous étudierons s’il y a eu une redistribution d’ions d’or (initialement présents par dopage dans des échantillons de silicium amorphe) à la suite de l’irradiation des échantillons. Cette redistribution d’or s’expliquerait par le phénomène de raffinage de la zone fondue, qui surviendrait pendant une hausse de température lors de la création de traces ioniques latentes prévue par le modèle théorique du pic thermique. Les échantillons étudiés sont des membranes de silicium amorphes de 2 µm d’épaisseur, dopés à l’or selon différents pourcentages (pur, moyen et élevé) et irradiés avec des ions lourds rapides d’or à 1,1 GeV ou d’argent à 75 MeV. Aucune image SAXS n’a pu révéler la présence de traces ioniques latentes pour les échantillons irradiés par des ions argent à 75 MeV. Bien que le pouvoir d’arrêt de ceux-ci est bas (9,5 keV/nm) [1], il dépasse tout de même le seuil observé pour plusieurs autres phénomènes associés avec des traces. [2] [3] Nous aurions donc trouvé un régime où il y a des effets causés par des ions lourds et rapides, mais sans signature visible en SAXS. À l’inverse, les échantillons irradiés d’ions d’or ont démontré la présence de traces ioniques latentes via des images SAXS. Ces images démontrent un motif de diffusion caractéristique à des traces de type core-shell. Toutefois, ces résultats ne démontrent pas de différences de ségrégation d’or selon le niveau de dopage initial. Tous les échantillons (dopage pur, moyen et élevé) présentent un noyau de rayon de (2,5 ± 0,1)nm et un rayon total de (9,9 ± 0,5)nm, ce qui rejoint des valeurs similaires à ceux obtenus dans la littérature. [4] Par contre, l’absence de différence selon le dopage pourrait s’expliquer par le fait que la resolidification après la fusion serait trop rapide au point où l’or subirait du solute trapping qui empêcherait la ségrégation. Une autre explication possible serait qu’il n’y aurait pas de fusion du tout lors de la formation de la trace. En premier lieu, ce mémoire traite de toutes les étapes nécessaires à la conception des échantillons, soit leur amorphisation, l’implantation d’impuretés d’or, puis l’irradiation. Deux catégories d’échantillons sont abordées : les échantillons de validation, puis les véritables échantillons qui ont été étudiés. Par la suite, ce mémoire aborde la détection des traces ioniques latentes, d’abord avec un AFM (qui s’est avéré insuffisant), puis avec des mesures SAXS. Finalement, un code théorique pour reproduire les mesures expérimentales obtenues a été développé en se basant sur la littérature. Il génère des résultats numériques prometteurs par rapport aux données expérimentales obtenues. / The following thesis aims to verify whether the formation of latent traces by heavy and fast ions passes through a liquid phase. Given the fact that the process of trace formation is too fast to be directly studied, our experience aims to measure after the fact elements that would be indicative of a merger. In this context, we will study whether there has been a redistribution of gold ions (initially present by doping in amorphous silicon samples) following the irradiation of the samples. This redistribution of gold could be explained by the phenomenon of refining the melted zone, which would occur during a rise in temperature during the creation of latent ionic traces predicted by the theoretical model of the thermal peak. The samples studied are amorphous silicon membranes of 2 µm in thickness, doped with gold at different percentages (pure, medium and high) and irradiated with fast heavy ions of gold at 1.1 GeV or silver at 75 MeV. No SAXS image was able to reveal the presence of latent ionic traces for samples irradiated with silver ions at 75 MeV. Although the stopping power of the latter is low (9.5 keV/nm), it exceeds the threshold observed for several other phenomena associated with traces. [2] [3] We would therefore have found a regime where there are effects of heavy and fast ions, but without a visible signature in SAXS. In contrast, irradiated samples of gold ions demonstrated the presence of latent ionic traces via SAXS images. These images demonstrate a diffusion pattern characteristic of core-shell type traces. However, these results do not show differences in gold segregation according to the initial doping level. All samples (pure, medium and high doping) have a core radius of (2.5 ± 0.1) nm and a total radius of (9.9 ± 0.5) nm, which are values similar to those obtained in the literature. [4] On the other hand, the absence of a difference according to the doping could be explained by the fact that the resolidification after the fusion would be too fast, to the point where the gold would undergo solute trapping which would prevent the segregation. Another possible explanation would be that there would be no fusion at all during the formation of the trace. First of all, this thesis deals with all the steps necessary for the design of the samples, namely their amorphization, the implantation of gold impurities, then the irradiation. Two categories of samples are discussed: the validation samples, then the actual samples that were studied. Subsequently, this thesis addresses the detection of latent ion traces, first with an AFM (which proved to be insufficient), then with SAXS measurements. Finally, a theoretical code to reproduce the experimental measurements obtained was developed based on the literature. It generates promising numerical results compared to the experimental data obtained.

The ferromagnetic bulk metallic glasses (BMGs) started to be investigated only in the last 10 years.They are difficult to cast, but their properties are uniques. The work deals with casting, mechanical and soft magnetic properties of new Fe-based BMGs. Such alloys can be cast directly in samples with various geometries and they can be use as magnetic parts in different devices.

Early developed non-bulk Fe-based glasses, e.g. Fe-Cr(-Mo)-metalloid(s), exhibit extraordinary corrosion resistance, but low glass formation ability (GFA). Newly developed bulk glass-forming Fe-based alloys have on the contrary high GFA, but also very different compositions and therefore their corrosion behaviour is expectedly not similar. Fundamental investigations regarding corrosion behaviour were performed for one of the most prominent bulk glassy alloy, namely (Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5. Particularly, the free corrosion and the anodic polarization behaviour, the passivation ability and the pitting susceptibility have been assessed in electrolytes with varying pH values and anion species concentrations. Due to its monolithic single phase microstructure this alloy has a much lower corrosion rate in acids than a two-phase conventional steel (DIN X210Cr12) with much higher content of passivating Cr, i.e. 11.4 at. %. However, the high concentration of electrochemically active Mn and B as well as the unfavourably high Mo to Cr concentration ratio determine a higher corrosion rate of this bulk glassy alloy in strong alkalis and also a very poor passivation ability in acids. On the contrary, the high content of Mo has a positive influence on the pitting resistance by inhibiting very effectively the propagation of pits occurring at Y2O3 inclusions. Detailed microscopic analysis investigations by HRSEM and in-situ AFM revealed the formation of characteristic morphological features at the micro- and nanometre scale on the surface of samples exposed to acidic solutions. These were explained by selective dissolution of active elements, e.g. Mn, B. This study demonstrated the necessity to investigate the corrosion properties of newly developed bulk glass-forming Fe-based alloys – they are not per-se highly corrosion resistant, but their corrosion behaviour depends on their particular chemical composition. / Früh entwickelte, nicht-massive amorphe Eisenbasislegierungen, z.B. Fe-Cr(-Mo)-Metalloid(e), zeigen bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit, aber niedrige Glasbildungsfähigkeit (englisch: glass-forming ability, GFA). Neu entwickelte massiv-glasbildende Eisenbasislegierungen haben im Gegenteil eine höhere GFA, aber auch sehr unterschiedliche Zusammensetzungen und deshalb ist ihr Korrosionverhalten ist wie zu erwarten nicht änlich. Grundlegende Untersuchungen des Korrosionsverhaltens einer der bekanntesten massiven amophen Legierung, nämlich (Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5, wurden vorgenommen. Insbesondere wurde das Augenmerk auf das freie Korrosions- und das anodische Polarisationsverhalten, die Passivierungseigenschaften und die Anfälligkeit gegenüber Lochfraß in Elektrolyten mit verschiedenen pH-Werten und Anionenkonzentrationen gerichtet. Aufgrund ihres einphasig monolitischen Gefüges zeigt diese Legierung in Säuren eine viel niedrigere Korrosionsgeschwindigkeit als die eines zweiphasigen herkömmlichen Stahls (DIN X210Cr12) mit viel höherem Gehalt an passivierendem Cr, d.h. 11.4 at.%. Der höhere Gehalt an electrochemisch aktivem Mn und B sowie das nachteilige Verhältnis von Mo zu Cr Konzentration sind für eine höhere Korrosionsgeschwindigkeit dieser massiven amorphen Legierung in konzentrierten Alkalien sowie eine geringere Passivierungsfähigkeit in Säuren verantwortlich. Der hohe Gehalt an Mo hat jedoch einen positiven Einfluss auf die Lochfraßbeständigkeit – er hindert sehr wirksam das Wachstum der an Y2O3-Einschlüssen gebildeten Löcher. Detaillierte mikroskopische Untersuchungen durch HRSEM und in-situ AFM zeigten die Bildung charakteristischer Morphologien im Mikrometer- und Nanometerbereich auf der Oberfläche von Proben, die starken Säure ausgesetzt waren. Dieses wurde durch selektive Auflösung aktiver Elemente, z.B. Mn, B, erklärt. Diese Arbeit unterstreicht die Notwendigkeit, die Korrosionseigenschaften der neu entwickelten, massivglasbildenden Eisenbasislegierungen zu untersuchen – diese sind nicht per-se „hochkorrosionsbeständig“, stattdessen hängt ihr Korrosionsverhalten vielmehr von ihrer besonderen chemischen Zusammensetzung ab.

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In den letzten Jahrzehnten ist die Rückgewinnung wichtiger Elemente aus Abfallströmen wie Abwässern, Schlämmen und Abraum. Übermäßiger Bergbau, industrielle Prozesse und Überdüngung in der Landwirtschaft setzen Schadstoffe wie Phosphat, Ammonium und Übergangsmetalle in die Umwelt frei und bringen Ökosysteme aus dem Gleichgewicht. In dieser Dissertation wird die Kristallisation von Übergangsmetallphosphatverbindungen (TMPs) aus wässrigen Lösungen untersucht, darunter M-Struvit, M-Dittmarit und M-Phosphat-Octahydrat (NH4MPO4∙6H2O, NH4MPO4∙H2O, M3(PO4)2∙8H2O mit M = Ni, Co, NixCo1-x). Diese kristallinen Phasen ermöglichen die gemeinsame Ausfällung von PO43-, NH4+ und Übergangsmetallen und bieten einen vielversprechenden Weg zur Rückgewinnung von Phosphat und Übergangsmetallen aus industriellen und landwirtschaftlichen Abwässern. TMPs besitzen vielseitige Eigenschaften wie thermische und mechanische Stabilität, einfache Veränderlichkeit und Multifunktionalität, wodurch sie sich für fortschrittliche Energieumwandlungs- und -speicheranwendungen eignen. Deshalb stellt die Synthese von TMPs eine kombinierte Rückgewinnungs- und Upcycling-Methode für fortschrittliche Funktionsmaterialien dar. Detaillierte Untersuchungen des Bildungsprozesses aus wässriger Lösung wurden mit zeitaufgelösten ex- und in-situ-Elektronenbildern, spektroskopischen, spektrometrischen und beugungsbasierten Methoden durchgeführt. Die in dieser Dissertation enthaltenen Ergebnisse geben neue Einblicke in den nicht klassischen Kristallisationsmechanismus von TMPs, der eine kontrollierte Einstellung der Kristallitgröße und -morphologie ermöglicht. Darüber hinaus führt die thermische Behandlung von TMPs zu thermisch stabilen, mesoporösen und/oder protonenleitenden Materialien für elektrochemische Anwendungen. Die Ergebnisse tragen zum grundlegenden Verständnis von Keimbildung und Kristallisationsphänomenen bei und helfen bei der Entwicklung moderner Funktionsmaterialien für elektrochemische Anwendungen. / A critical issue in the 21st century is the recovery of essential elements from waste streams like wastewaters, sludges, and tailings. Excessive mining, industrial processes, and overfertilization in agriculture release pollutants such as phosphate, ammonium, and transition metals into the environment, unbalancing ecosystems. This dissertation investigates the crystallization of transition metal phosphate (TMPs) compounds from aqueous solutions, including M-struvite, M-dittmarite, and M-phosphate octahydrate (NH4MPO4∙6H2O, NH4MPO4∙H2O, M3(PO4)2∙8H2O with M = Ni, Co, NixCo1-x). These crystalline phases allow for the co-precipitation of PO43-, NH4+, and transition metals, providing a promising route for phosphate and transition metal recovery from industrial and agricultural wastewaters. TMPs possess favorable properties like thermal and mechanical stability, tunability, and multifunctionality, making them suitable for advanced energy conversion and storage applications. Accordingly, the synthesis of TMPs represents a combined recovery and upcycling method towards advanced functional materials. Detailed investigations of the formation process from aqueous solution were carried out using time-resolved ex- and in-situ, electron imaging, spectroscopic, spectrometric, and diffraction-based techniques. The results contained in this dissertation reveal new insights into the non-classical crystallization mechanism of TMPs, allowing for controlled adjustment of crystallite size and morphology. Moreover, thermal treatment of TMPs compounds yields thermally stable, mesoporous, and/or proton-conductive materials for electrochemical applications. The findings, on the one hand, can contribute to the fundamental understanding of nucleation and crystallization phenomena in aqueous solutions in general and specifically for metal phosphates. On the other hand, my findings aid applied materials chemistry in the development of advanced functional materials for electrochemical uses.

Thin films of a ternary alloys between aluminum, manganese and copper (AlMnCu), prepared at low temperature, are reported in the present work. It is a study along two binary edges (Al100−xMnx and Al100−xCux (from literature)), the first almost along the entire range of concentrations, and two different cuts through the ternary system. The first cut begins at amorphous Al50Mn50 and adds Cu step by step (from literature). The second cut begins at amorphous Al60Cu40 and varies Al and Mn such that the Cu-content stays constant. There is a wide amorphous range, purely amorphous or with additional quasi-crystalline local features, and there are ranges where mixtures between amorphous and nano- or partially crystalline phases with a high content of lattice defects exist. The work exclusively deals with the development of the static structure and its thermal stability, as well as the development of its electronic transport properties. The ternary AlMnCu is a model for a deeper understanding of different scenarios of structure stabilization and their interaction, with consequences on the emergence of physical properties. The analysis focuses on self-organizing spherical-periodic, global resonance effects between two global subsystems of the alloy under consideration, the Fermi gas as one and the forming static structure of ions as the other. The global resonances are self organizing by i.e. an exchange of characteristic momenta and energy between the subsystems and trigger, besides a particular structure, particle-density anomalies and/or hybridization effects. The work shows strong evidence of a combined action of the particle-density anomalies with the effective valence of the atoms involved, in order to maintain the resonance condition under all circumstances. Whereas at high Al-content, additionally, local features of quasi-crystallinity arise, closer to pure Mn phase separations arise, causing mixtures of amorphous with nano-crystalline phases or crystals with a high content of lattice distortions. Reports on density anomalies, hybridization effects, and angular correlations, have been published quite often. In the present work, besides similar effects in a ternary system, first indications for phase separations and lattice defects as additional scenarios of stabilizing condensed matter are reported. The resonance, seen as spherical-periodic-order at short- and medium-range distances in real space, causes in reciprocal space a resonance maximum (analogous to a Bragg peak in crystals). Its location on the axis of the scattering vector is defined by the electron system and a pseudo-gap in the electronic density of states arise at the Fermi energy. The origin of the structural order and its thermal stability, the pseudo-gap at the Fermi energy, as well as the transport properties with its anomalies, all are attributed to the resonance. The spherically-periodic atomic order in an amorphous phase is analogous to the planar order in a crystal. The interatomic distances between the nearest neighboring shells at short- and medium range distances coincide with half the Fermi wavelength, also called Friedel-wavelength. / In der vorliegenden Arbeit wird über bei niedriger Temperatur hergestellte dünne Schichten aus einem ternären Legierungssystem zwischen Aluminium, Mangan und Kupfer (AlMnCu) berichtet, über zwei binäre Randlegierungen (Al100−xMnx und Al100−xCux (aus der Literatur)) und über zwei verschiedene Schnitte durch den ternären Bereich. Ein Schnitt durch den ternären Bereich beginnt bei amorphem Al50Mn50 und fügt schrittweise Cu zur Legierung (aus der Literatur). Der zweite Schnitt beginnt bei amorphem Al60Cu40 und fügt schrittweise Al und Mn so zu, dass der Cu-Gehalt konstant bleibt. Es gibt amorphe Bereiche, teilweise mit weiteren lokal quasi-kristallinen zusätzlichen Merkmalen, sowie Bereiche, in denen Mischungen aus amorphen mit nano oder teilkristallinen Phasen auftreten. Die Arbeit behandelt die Entwicklung der statischen Struktur und deren thermische Stabilität, sowie die Entwicklung elektronischer Transporteigenschaften. Das ternäre AlMnCu ist ein Modellsystem für ein tieferes Verständnis der verschiedenen Szenarien struktureller Stabilisierung und deren Interaktion, mit Auswirkungen auf ein tieferes Verständnis der mit der Struktur sich entwicklenden physikalischen Eigenschaften. Die Analyse konzentriert sich auf sich selbstorganisierende sphärisch-periodische, globale Resonanzeffekte zwischen zwei globalen Untersystemen des gewählten Materialsystems, der Fermi-Kugel als einem und der sich bildenden statischen Struktur der Ionen als dem anderen. Die globalen Resonanzen bilden sich u.a. durch einen Austausch von charakteristischen Impulsen und Energie zwischen den Untersystemen, die neben einer bestimmten Struktur zunächst auch Teilchendichteanomalien und/oder Hybridisierungseffekte erzeugen. Die vorliegende Arbeit zeigt dabei starke Anzeichen für eine kombinierte Wirkung dieser Effekte um die Resonanzbedingung unter allen Umständen beizubehalten. Bei hohen Al-Anteilen treten zusätzlich lokale Merkmale von quasi-Kristallinität, mit 5-facher Winkelkorrelation auf, um auch diesen Bereich strukturell zu stabilisieren. Bei hohen Mn-Anteilen sind es lokale Phasentrennung in amorphe und nano-kristalline Phasen oder hohe Anteile von Gitterdeffekten, die zusätzlich auftreten. Über Dichteanomalien, Hybridisierungseffekte und Winkelkorrelationen wurde in der Vergangenheit bereits mehrfach berichtet. In der vorliegenden Arbeit sind es, neben der modellhaften Behandlung dieser im ternären System, die Hinweise zu Phasentrennung und Gitterdeffekten als zusätzliche Szenarien zur Stabilisierung kondensierter Materie, über die erstmalig berichtet wird. Die auf dem Austausch von Impuls beruhende Resonanz, als sphärisch-periodische-Ordnung im nahen und mittleren Abstandsbereich des Ortsraumes zu sehen, verursacht im reziproken Raum ein Resonanzmaximum (analog zu einem Bragg-peak in kristallinen Systemen), dessen Lage auf der Achse der Streuvektoren vom Elektronensystem definiert wird, und eine Pseudolücke in der elektronischen Zustandsdichte der Elektronen an der Fermi-Energie. Letztendlich werden die Entstehung der strukturellen Ordnung selbst, ihre thermische Stabilität, als auch die Transporteigenschaften mit ihren Anomalien auf diese Pseudolücke und demzufolge auf die Resonanz zurückgeführt. Die sphärisch-periodische Ordnung der Atome in einer amorphen Phase ist analog zur planaren Ordnung in einem Kristall. Die Atomabstände zwischen den Nächstnachbarschalen im mittleren, aber auch nahen Abstandsbereich, stimmen über große Distanzen mit der halben Fermi-Wellenlänge überein, die man auch als Friedel-Wellenlänge bezeichnet.