L'étude et la connaissance des propriétés électroniques des matériaux ne constituent pas seulement un enjeu technologique : il s'agit aussi d'un problème fondamental. Au delà des isolants et des métaux usuels, il existe des systèmes plus complexes dans lesquels même l'approximation du liquide de Fermi, pourtant fructueuse dans de nombreux cas, est mise en défaut par les fortes interactions.<br /><br />Le cas des premiers oxydes de métaux de transition, pour lesquels les orbitales de valence sont des orbitales 3d, est particulièrement intéressant. Le nombre quantique principal n = 3 est le plus faible autorisé pour la valeur l = 2 du nombre quantique angulaire : ainsi, étant déjà orthogonales aux autres orbitales par leur partie angulaire, les orbitales 3d n'ont pas besoin de noeuds dans leur partie radiale et sont donc assez localisées autour du noyau. La formation de bandes de conduction est possible (malgré le faible recouvrement direct entre orbitales 3d), mais en même temps les porteurs de charge sont soumis à de fortes interactions locales. A cause de ces corrélations, certains oxydes de métaux de transition (comme LaTiO3) sont isolants bien que leur bande 3d ne soit que partiellement remplie et qu'on attendrait donc une conductivité métallique. La localisation électronique peut aussi mener à la formation de moments magnétiques locaux, et l'interaction de ces derniers avec les porteurs de charge mobiles confère aux<br />Manganates leur propriété de magnéto-résistance géante. Enfin, on ne peut ne pas mentionner la célèbre famille des Cuprates CuO, pour lesquelles une supraconductivité haute Tc a été découverte en 1986.<br /><br />Parmi les oxydes de métaux de transition, les Cobaltates dopées au sodium NaxCoO2 suscitent elles aussi un grand intérêt. Leur fort pouvoir thermoélectrique associé à une faible résistivité suggère de possibles applications en réfrigération. Leur diagramme des phases fait apparaître la coexistence d'électrons de conduction et de moments magnétiques localisés, ainsi qu'une phase supraconductrice (ce sont donc les seuls oxydes de transition 3d supraconducteurs, avec les Cuprates et les Titanates). Comme dans les Cuprates, leur structure cristallographique est lamellaire et quasi-bidimensionnelle, mais contrairement à ces dernières où les Cu forment un réseau carré, les Co sont agencés en un réseau triangulaire susceptible de frustrer des interactions magnétiques. Malgré les nombreux travaux qui ont été consacrés à ces composés, la description de base de leur structure de bandes est sujette à controverse et les calculs “premiers principes” demeurent en désaccord avec les expériences de photoémission.<br /><br />Le travail présenté ici vise à obtenir un modèle effectif capable de prédire les bonnes excitations de basse énergie des Cobaltates de sodium. Après un chapitre d'introduction générale sur ces composés, j'exposerai les limites des calculs théoriques déjà effectués puis je décrirai la dérivation de notre modèle effectif avant de présenter les résultats obtenus. Des annexes seront<br />consacrées plus précisément aux méthodes théoriques discutées dans ce manuscrit.

Perovskite based materials have great potentials for various energy applications and the search for new materials for uses in SOFCs has largely been concentrated to this class of compounds. In this search, we have studied perovskite phases in the system La2Co1+z(Ti1-xMgx)1-zO6, with 0  x 0.9 and z = 0.0, 0.2, 0.4, 0.6. Crystal structures were characterized by XRD and, for selected compositions, also by NPD and SAED. They exhibit with increasing x, as well as increasing z, a progressive increase in symmetry from monoclinic to orthorhombic to rhombohedral. The main focus in this work has been on the investigation of structure-property relations for compositions with 0.0 x 0.5 and z = 0. The nominal oxidation state of Co increases for these with increasing x, from Co2+ for x = 0 to Co3+ for x = 0.5. Magnetic measurements and XANES studies showed that the average spin state of Co changes linearly with increasing x, up to x = 0.5, in accordance with varying proportions of Co with two fixed oxidation states, i.e. Co2+ and Co3+. The data suggests that the Co3+ ions have an IS spin state or a mixture of LS and HS spin states for all compositions with nominally only Co2+ and Co3+ ions, possibly with the exception of the composition with x = 0.1, 0.2 and z = 0, for which the data indicate that the spin state might be HS. The XANES data indicate furthermore that for the perovskite phases with z = 0 and x &gt; 0.5, which in the absence of O atom vacancies contain formally Co4+, the highest oxidation state of Co is Co3+, implying that the substitution of Ti4+ by Mg2+ for x ³ 0.5 effects an oxidation of O2- ions rather than an oxidation of Co3+ ions. The thermal expansion was found to increase nearly linearly with increasing oxidation state of Co. This agrees well with findings in previous studies and is attributable to an increase in the ionic radius of Co3+ ions with increasing temperature, due to a thermal excitation from a LS to IS or LS/HS spin states. High temperature electronic conductivity measurements indicate that the electronic conductivity increases with an increase of both relative and absolute amount of Co3+. The latter can be attributed to an increase in the number of Co-O-Co connections. Additional high temperature magnetic measurements for selected samples, whose susceptibilities did not follow a Curie law behaviour up to room temperature, showed effective magnetic moments that did approach plateaus even at high temperatures (900 K). Interpretations of these data are, however, hindered by the samples losing oxygen during the applied heating-cooling cycle. The present study has shown that the investigated system is suitable for further studies, of more fundamental character, which could provide further insight of the structure-property relationships that depend on the oxidation state of Co. / Studies of cobalt based perovskites for cathode materials in solid oxide fuel cells.