Nous avons étudié les propriétés de cristallisation sous traction du 1,4 poly-cis-isoprène naturel (CN) en<br />fonction de la température, du taux de réticulation et du pourcentage de charge ajoutée (noir de carbone). Le<br />taux de cristallinité a été mesuré par diffraction X et l'orientation des chaînes polymères dans la phase<br />amorphe par RMNdu deutérium. Nous avons pu établir que l'hystérésis mécanique observée lors d'un cycle<br />de traction était essentiellement due au phénomène de cristallisation sous traction. Dans le cas des<br />échantillons non chargés, le début de la cristallisation se traduit par un adoucissement de la contrainte ; ceci<br />est observé jusqu'à une cristallinité de 15% environ, au-delà de laquelle on observe au contraire un<br />durcissement apparaissant à une extension critique qui varie selon le matériau et les adjuvants contenus dans<br />le caoutchouc. Durant la phase de décharge, on observe fréquemment une instabilité géométrique<br />correspondant à la séparation macroscopique d'une phase amorphe et d'une phase semi-cristalline<br />(« striction inverse ») ; cet effet a été étudié en détail. Il est vraisemblable que le même phénomène de<br />micro-striction se produise localement dans les matériaux où la striction inverse n'est pas visible. Dans le<br />cas des matériaux chargés, seule la phase de durcissement est visible.<br />La quantité d'énergie dissipée H liée à l'hystérésis mécanique n'est fonction que du taux de cristallinité<br />maximale Cmax atteint durant le cycle. Nous avons montré que la composante viscoélastique de cette<br />hystérésis est faible (Hvisco<10% lorsqu'il y a cristallisation) : la résistance à la rupture de ces matériaux est<br />donc essentiellement due à la cristallisation sous contrainte.<br />Nous avons en outre pu établir que dans les matériaux chargés, l'effet de durcissement dû à la cristallisation<br />était fortement amplifié par la présence des charges.<br />Dans la cas de matériaux non chargés, la RMN a permis de mettre en évidence la relaxation des chaînes due<br />à la cristallisation : ce phénomène est observé y compris dans la phase de durcissement.<br />Des études complémentaires ont été menées sur d'autres types d'élastomères : polybutadiène,<br />polychloroprène, butyl ... Le lien entre renforcement et cristallisation a pu également y être mis en<br />évidence.

Le rayonnement X est un outil vieux de plus d'un siècle qui a magnifiquement participé au développement de nombreuses thématiques. Il se produit actuellement une petite « révolution » scientifique qui va avoir un impact fort sur la vision dont la matière peut être analysée. Le travail présenté dans le cadre de cette HDR insiste sur le développement de sources X innovantes obtenues par interaction entre un laser femtoseconde intense avec la matière, et sur leurs rôles dans la réalisation d'applications pionnières dans cette thématique de la « science X ultrarapide ».

Nous avons entrepris une étude systématique de l'évolution de la structure et des propriétés physiques de la série de composés excédentaires en oxygène M+3Cu+1O2+δ (M=Y, La, Nd, In et Sc) en fonction de la stœchiométrie en oxygène. Ces composés dérivés de la delafossite, se révélaient très intéressants à la fois pour l'analogie qui existe avec les cuprates supraconducteurs et pour les propriétés magnétiques exotiques dues à la basse dimensionalité et à la présence de réseaux frustrés. En optimisant les conditions de synthèses nous sommes parvenus à synthétiser sous forme de poudres des composés de bonne qualité, nous permettant de réaliser des études structurales détaillées. Dans ce contexte, les techniques de laboratoire, telles que la diffraction de rayons X et la microscopie électronique ont été combinées avec la diffraction de neutrons et de rayonnement synchrotron. Les surstructures apparaissant dans ces composés, dépendent de la valeur de δ (1/2 ou 2/3) ainsi que de la nature du cation M+3. L'insertion de l'oxygène dans les plans de cuivre peut conduire à l'apparition de chaînes de spins couplés par superéchange ou à des plans de kagomé formés de triangles de cuivres centrés par les atomes d'oxygène. Le calcul de structure électronique confirme l'apparition de niveaux d'impuretés dans la bande interdite de la delafossite non-dopée. D'autre part les mesures de résistivité effectuées, montrent que tous les composés synthétisés sont des isolants à localisation induite par le désordre. Les propriétés magnétiques révèlent des comportements différents, caractéristiques de chaque type de réseaux de spins ½ formé.

Le contrôle au moyen d'impulsions laser ultracourtes de la transformation collective et concertée de molécules à l'état solide pouvant induire une commutation ultrarapide de l'état macroscopique d'un matériau offre des perspectives nouvelles. L'objectif est de réaliser à l'échelle du matériau ce qui est réalisé à l'échelle moléculaire en femtochimie. Ces processus sont hautement non linéaires et coopératifs, pouvant conduire à une auto-amplification et une auto-organisation au sein du matériau, et donc à une transition de phase photo-induite vers un nouvel ordre à longue distance (structural, magnétique, ferroélectrique...). Deux familles de matériaux ont été ici étudiées: tout d'abord, des matériaux à transition de spin, passant d'un état diamagnétique à paramagnétique, sous l'effet de la température, ou sous irradiation laser continue. Il s'agit de matériaux photo-actifs prototypes de la bistabilité moléculaire à l'état solide, dont la commutation est étudiée lors d'expériences de diffraction X, de réflectivité optique et de magnétisme. Une seconde partie des études a porté sur des complexes moléculaires à transfert de charge qui sont des composés prototypes pour les transitions de phase photo-induites ultra-rapides: neutre-ionique, isolant-métal... En plus des expériences d'optique temporelle ultra-rapide, la cristallographie X résolue en temps constitue une technique clé permettant de suivre au niveau atomique les différentes étapes de la transformation photo-induite et par conséquent d'observer les mécanismes mis en jeu. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence un processus de photo-formation de nanodomaines unidimensionnels d'excitations de transfert de charge relaxées structuralement, pilotant la transition de phase photo-induite du TTF-CA, à l'aide de premières études de diffusion diffuse résolue en temps. Une nouvelle source laser-plasma femtoseconde et un dispositif de spectroscopie pompe sonde optique à détection hautement sensible ont aussi été développés dans le cadre de ce travail. Les résultats présentés dans cette étude seront une illustration des enjeux scientifiques actuels relatifs d'une part aux développements de projets de grande ampleur (nouvelles sources ultra-brèves) et d'autre part à la photo-commutation ultra-rapide.

On a souvent recours à des assemblages métal-céramique pour des systèmes complexes couplant les propriétés, souvent opposées, des alliages métalliques et des céramiques. Les besoins industriels pour de hautes températures d'utilisation, en milieu corrosifs, restent toujours difficiles à satisfaire de façon fiable. Deux céramiques techniques industrielles ont été retenues pour cette étude : le carbure de silicium SiC et l'alumine Al2O3. Elles ont été assemblées à un superalliage de Nickel réfractaire (HAYNES™214®), selon le procédé de thermo-compression sous vide, par l'intermédiaire d'un joint métallique de faible épaisseur. La forte réactivité du SiC avec le nickel a conduit à rechercher une barrière de diffusion entre l'alliage et la céramique. Un joint d'argent ne formant aucun siliciure a permis d'éviter cette réactivité et a conduit ainsi à des tenues mécaniques en cisaillement significatives (45 MPa). Pour l'alumine (Al2O3), nous nous sommes orientés vers l'utilisation de joints de nickel, peu réactif avec cet oxyde. Cependant la différence de coefficient de dilatation thermique entre la céramique (Al2O3) et les métaux (Ni et HAYNES™214®) conduit à de fortes concentrations de contraintes résiduelles à l'interface. Une simulation par éléments finis, en utilisant le code ABAQUS, a permis de localiser le champ de contraintes résiduelles dans ce type d'assemblage. Une comparaison entre un calcul élasto-plastique et un calcul élasto-visco-plastique a été réalisée. La distribution des contraintes est sensible à l'épaisseur du joint de nickel ainsi qu'aux dimensions et formes respectives de l'alliage et de la céramique. Il a ainsi été montré que le calcul élasto-visco-plastique est indispensable pour caractériser la liaison Al2O3/Ni/HAYNES™214®, contrairement à des liaisons Al2O3/Ni/Al2O3 étudiées plus classiquement. De plus, les contraintes de tension dans la céramique sont beaucoup plus importantes pour l'assemblage alumine/alliage métallique que pour l'assemblage alumine/alumine. Ceci est retrouvé expérimentalement par les résultats de caractérisation mécanique (cisaillement, délamination) de ces deux types d'assemblage et par des mesures expérimentales de contraintes résiduelles par indentation et par diffraction des rayons X. La fragilisation de l'alumine près de l'interface est un phénomène connu dû essentiellement à la diffusion du métal de liaison et au frottement entre le joint métallique et l'alumine. Une corrélation entre la ténacité, l'intensité des contraintes résiduelles et le piégeage de charges électriques a été montrée. Enfin, l'étude de joints multicouches Cu-Ni-Cu a permis d'accommoder les contraintes et d'améliorer la résistance de l'assemblage Alumine/HAYNES™214®. De plus, la préoxydation des joints de cuivre côté alumine, reproduisant ainsi la méthode de l'eutectique, ouvre une voie quant à une utilisation des assemblages pour de hautes températures (> 1200 °C) et l'industrialisation du procédé pour de grandes séries.

An alternate family of “high” voltage (where the equilibrium voltage lies between 3.6 V and 4.2 V) polyanion cathode materials is reported in this thesis with the objective of improving specific energy density (Wh/kg) and developing a better understanding of polyanion electrochemistry. The electrochemical properties, synthesis and the structure of novel fluorosulfate materials crystallizing in the tavorite and the triplite type mineral structures are described. These materials display highest discharge voltages reported for any Fe2+/Fe3+ redox couple. LiFeSO4F was prepared in both the tavorite and the triplite polymorphs using inexpensive and scalable methods. Complete structural characterization was performed using X-ray and neutron based diffraction methods. A rapid synthesis of fluorosulfates can be achieved by using microwave heating. The local rapid heating created by the microwaves generates nanocrystalline LiFeSO4F tavorite with defects that induce significant microstrain. To date, this is unique to the microwave synthesis method. Phase transformation to the more stable triplite framework, facilitated by the lattice defects which include hydroxyl groups, is therefore easily triggered. The formation of nanocrystalline tavorite leads to nanocrystalline triplite, which greatly favors its electrochemical performance because of the inherently disordered nature of the triplite structure. Direct synthesis of the electrochemically active triplite type compound can be carried out either by extending the duration of the solvothermal reactions or by the partial substitution of Fe by Mn to produce LiFe1-xMnxSO4F. This study, overall, has led to a better understanding of the transformation of tavorite to the triplite phase. To examine Li and the Na ion conduction and their correlation with the electrochemical performance of 3-D, 2-D and 1-D ion conductors, atomistic scale simulations have been used to investigate tavorite type LiFeSO4F, NaFeSO4F, olivine type NaMPO4 (M= Fe, Mn, Fe0.5Mn0.5) and layered Na2FePO4F. These calculations predict high mobility of the Li-ion in the tavorite type LiFeSO4F but sluggish Na-ion transport in iso-structural NaFeSO4F. High mobility of the Na-ion is predicted for phosphate layered and olivine structures. Finally, the synthesis and structural details of NaMSO4F (M=Fe, Mn) and NH4MSO4F (M=Fe, Mn) are presented in the last chapter to show the structural diversity present in the fluorosulfate family.

DC and RF magnetron co-sputtering techniques are one of the most suitable techniques in fabrication of thin films with different compositions. In this work, Al2O3 and Si/Al2O3 thin films were fabricated by using magnetron co-sputtering technique. For Al2O3 films, the stoichiometric, optical and crystallographic analyses were performed. For Si contained Al2O3 films, the formation conditions of Si nanocrystals were investigated. To do so, these thin films were sputtered on Si (100) substrates. Post annealing was done in order to clarify the evolution of Al2O3 matrix and Si nanocrystals at different temperatures. Crystallographic properties and size of the nanocrystals were investigated by X-ray diffraction (XRD) method. The variation of the atomic concentrations and bond formations were investigated with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The luminescent behaviors of Si nanocrystals and Al2O3 matrix were investigated with photoluminescence (PL) spectroscopy. Finally, the characteristic emissions from the matrix and the nanocrystals were separately identified.

Le cristal de glace est un matériau particulièrement anisotrope dans le domaine viscoplastique, qui se déforme principalement par glissement des dislocations dans le plan de base. Cette très forte anisotropie viscoplastique engendre une importante hétérogénéité de déformation à l'origine d'hétérogénéités inter-granulaires. Pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans cette déformation, des expériences de fluage ont été réalisées sous diffraction X (topogaphie X et X durs refocalisés) ainsi qu'en chalbre froide, sur des monocristaux et des tricristaux de glace. La déformation a été suivie in-situ à l'aide d'un dispositif spécialement mis au point au LGGE. Une attention particulière a été portée sur l'évolution de la microstructure (évolution des dislocations individuelles, densités de dislocations, distorsions cristallographiques) notamment au niveau des joints de grains et du point triple.

Cette thèse présente une étude expérimentale de l'interaction entre la supraconductivité et une onde de densité de charge (ODC). Dans la théorie standard, la température critique d'un matériau supraconducteur est favorisée principalement par deux paramètres : une grande densité d'états au niveau de Fermi (nF), et un fort couplage électron-phonon. Cependant, un fort couplage électron-phonon favorise aussi l'apparition d'une ODC, ce qui réduit nF et rivalise ainsi avec la supraconductivité.Notre démarche a consisté à étudier deux composés où supraconductivité et ODC coexistent, et dans lesquels on peut faire disparaître l'ODC grâce à un paramètre externe : pression ou substitution. Le premier composé, 2H-NbSe2, présente une ODC en dessous de 33 K à pression ambiante. Celle-ci coexiste avec la supraconductivité en dessous de 7 K. Sous pression, l'ODC disparaît au-dessus de 4.6 GPa, sans que la température critique varie notablement. L'ODC disparaît aussi en remplaçant le sélénium par du soufre : 2H-NbS2 est ainsi un supraconducteur sans ODC (Tc = 6 K), et peut donc servir de composé témoin pour une étude comparative. Dans le second composé, Lu5Ir4Si10, une ODC est présente en dessous de 77 K à pression ambiante. Celle-ci disparaît sous pression au-dessus de 2 GPa, tandis que la température critique saute simultanément de 4 à 9 K. Pour étudier ces composés, j'ai utilisé trois techniques expérimentales : la mesure de la dispersion des phonons à basse température (300-2 K) et sous pression (0-16 GPa) par diffusion inélastique des rayons X, la mesure de la dépendance en température de la longueur de pénétration magnétique grâce à un oscillateur à diode tunnel et la mesure des champs critiques via des microsondes Hall.Dans la première partie, je présente la dépendance en température de la dispersion des phonons dans 2H-NbS2. Nous observons la présence d'un phonon mou dont l'énergie reste toujours positive, même extrapolée à température nulle. Ce composé est ainsi à la limite d'une instabilité ODC. De plus, nous montrons qu'il est relativement unique, car seuls les effets anharmoniques empêchent l'amollissement complet des phonons. Je présente ensuite la dépendance en température et en pression de la dispersion des phonons dans 2H-NbSe2. Ces expériences montrent qu'un mode de phonon mou persiste jusqu'à 16 GPa, même quand l'état à température nulle n'est pas l'ODC. La dépendance en température de ce phonon mou est alors similaire à celle de 2H-NbS2. Dans les deux composés, ces phonons mous semblent liés à la présence d'un couplage électron-phonon à la fois fort et anisotrope. Nous suggérons qu'il s'agit d'un élément essentiel pour expliquer leurs propriétés supraconductrices.Dans la seconde partie, je mesure l'anisotropie et la dépendance en température de la longueur de pénétration magnétique dans l'état supraconducteur de 2H-NbS2 et Lu5Ir4Si10. La dépendance en température de la densité superfluide dans 2H-NbS2 confirme la présence d'un gap supraconducteur réduit dont l'amplitude est très proche de celle mesurée dans 2H-NbSe2. Les phonons mous et le gap réduit étant présents dans 2H-NbS2 et 2H-NbSe2, nous prouvons expérimentalement qu'il faut raisonner en termes de renforcement de la supraconductivité par les phonons mous plutôt qu'en termes d'interaction avec l'état fondamental (ODC ou métal). Nous proposons que ce renforcement soit lié à l'anisotropie du couplage électron-phonon.En revanche, cet effet n'est pas général aux composés où supraconductivité et ODC coexistent. Les propriétés supraconductrices de Lu5Ir4Si10 sont en effet bien décrites par le modèle BCS couplage faible. Ceci est peut être lié aux caractéristiques de l'ODC : la présence d'une hystérésis montre que la transition ODC est du premier ordre. D'autre part, les mesures de diffraction X sous pression et à basse température révèlent que cette ODC est multiple : en plus de la périodicité 1/7, nous observons une seconde périodicité de 1/20.

An alternate family of “high” voltage (where the equilibrium voltage lies between 3.6 V and 4.2 V) polyanion cathode materials is reported in this thesis with the objective of improving specific energy density (Wh/kg) and developing a better understanding of polyanion electrochemistry. The electrochemical properties, synthesis and the structure of novel fluorosulfate materials crystallizing in the tavorite and the triplite type mineral structures are described. These materials display highest discharge voltages reported for any Fe2+/Fe3+ redox couple. LiFeSO4F was prepared in both the tavorite and the triplite polymorphs using inexpensive and scalable methods. Complete structural characterization was performed using X-ray and neutron based diffraction methods. A rapid synthesis of fluorosulfates can be achieved by using microwave heating. The local rapid heating created by the microwaves generates nanocrystalline LiFeSO4F tavorite with defects that induce significant microstrain. To date, this is unique to the microwave synthesis method. Phase transformation to the more stable triplite framework, facilitated by the lattice defects which include hydroxyl groups, is therefore easily triggered. The formation of nanocrystalline tavorite leads to nanocrystalline triplite, which greatly favors its electrochemical performance because of the inherently disordered nature of the triplite structure. Direct synthesis of the electrochemically active triplite type compound can be carried out either by extending the duration of the solvothermal reactions or by the partial substitution of Fe by Mn to produce LiFe1-xMnxSO4F. This study, overall, has led to a better understanding of the transformation of tavorite to the triplite phase. To examine Li and the Na ion conduction and their correlation with the electrochemical performance of 3-D, 2-D and 1-D ion conductors, atomistic scale simulations have been used to investigate tavorite type LiFeSO4F, NaFeSO4F, olivine type NaMPO4 (M= Fe, Mn, Fe0.5Mn0.5) and layered Na2FePO4F. These calculations predict high mobility of the Li-ion in the tavorite type LiFeSO4F but sluggish Na-ion transport in iso-structural NaFeSO4F. High mobility of the Na-ion is predicted for phosphate layered and olivine structures. Finally, the synthesis and structural details of NaMSO4F (M=Fe, Mn) and NH4MSO4F (M=Fe, Mn) are presented in the last chapter to show the structural diversity present in the fluorosulfate family.