Spin systems with low dimensionality and geometrical frustration have attracted interest because of the possible emergence of novel magnetic phases at low temperatures by suppressing conventional magnetic order, and allow for a novel spin-disordered ground state, such as quantum spin liquid and glass without any apparent structural disorder. In this thesis, we have discussed magnetic and dielectric measurements on the quasi-two-dimensional triangular antiferromagnet NiGa2S3.85, in order to investigate its magnetic state and dielectric property at low temperatures. In the measurement of susceptibility In the measurement of susceptibility £q(T), we found that the freezing temperature is near 6 K. This suggests that the sample with the sulfur deficiency should be close to the stoichiometric NiGa2S3.85. Under 7 T magnetic filed ZFC(zero-field-cooling) and FC(field-cooling) still bifurcate indicating more magnetic order state than spin-liquid. Temperature-dependent dielectric measurement shows an interesting colossal enhancement of dielectric constant with frequency dispersion and is ascribed to the interfacial polarization (termed as Maxwell-Wagner relaxation) at the interface between adjacent layers. Temperature-dependent dielectric measurement under applied magnetic field (up to 9 T) shows negligible magnetodielectric behavior because of the sample is not magneto resistive.

Στην εργασία αυτή μελετάται η ηλεκτρική απόκριση νανοσύνθετων υλικών πολυαιθυλενοξειδίου (poly(ethylene oxide)) – τροποποιημένων νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλού τοιχίου (MWCNT), ως συνάρτηση της περιεκτικότητας σε νανοσωλήνες άνθρακα. Συγκεκριμένα εξετάζεται η διηλεκτρική απόκριση και η ειδική αγωγιμότητα των νανοσύνθετων με παραμέτρους την περιεκτικότητα σε MWCNT, τη θερμοκρασία και τη συχνότητα του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Από τη διηλεκτρική απόκριση εξάγονται πληροφορίες σχετικά με την μοριακή κινητικότητα του συστήματος και διεπιφανειακά φαινόμενα. Η εξάρτηση της ειδικής αγωγιμότητας από την περιεκτικότητα σε MWCNT δίνει τη δυνατότητα προσδιορισμού του κατωφλιού μετάβασης από τη μονωτική στην αγώγιμη συμπεριφορά, ενώ η εξάρτηση της ειδικής αγωγιμότητας από τη θερμοκρασία και τη συχνότητα προσφέρει τη δυνατότητα μελέτης των μηχανισμών μεταφοράς ηλεκτρικού φορτίου. Για τον καλύτερο προσδιορισμό των μηχανισμών ηλεκτρικής αγωγής εξετάζεται η δυνατότητα περιγραφής των πειραματικών αποτελεσμάτων μέσω των θεωρητικών προσεγγίσεων Variable Range Hopping model και Symmetric Hopping model. Για λόγους αναφοράς εξετάζεται και η ηλεκτρική απόκριση του καθαρού πολυμερούς και νανοσύνθετων, της ίδιας πολυμερικής μήτρας, που περιλαμβάνουν μη τροποποιημένους νανοσωλήνες άνθρακα. Τέλος, το σύνολο των αποτελεσμάτων γίνεται αντικείμενο εκτεταμένης συζήτησης. / In the present work the electric response of nanocomposites material consisted of poly (ethylene oxide) as matrix and modified multiwall carbon nanotubes (MWCNT) as reinforcing phase, is studied. Specifically, the dielectric response and the conductivity of nanocomposites is examined with parameters the content in MWCNT, the temperature and the frequency of the applied electric field. From the dielectric response valuable information concerning the molecular mobility of the systems and the interfacial phenomena can be extracted. The dependence of conductivity on the MWCNT content allows the determination of percolation threshold or critical concentration, which governs the transition from the insulating to the conductive behaviour. Moreover, the dependence of conductivity on temperature and frequency offers the possibility of studying the occurring charge transport mechanisms. Aiming to study further the type of the conduction mechanisms, the applicability of Variable Range Hopping model and Symmetric Hopping model is tested. For reasons of reference the electric response of pure polymer matrix and nanocomposites incorporating unmodified MWCNT is also examined. Finally, results become the object of an extensive discussion.

Deux séries d'échantillon à base de PVDF ont été élaborées avec différentes fractions de dioxyde de titane TiO2 en utilisant deux modes d'élaboration : dispersion des nanoparticules de TiO2 par voie fondue habituelle et génération des charges de TiO2 basée sur des réactions d'hydrolyse-condensations d'un alkoxyde de titane (le n-tétrabutoxyde de titane). Dans cette étude, quatre techniques ont été utilisées pour étudier les processus de relaxation dans les polymères semi-cristallins. Le microscope électronique à balayage (MEB) pour étudier la dispersion des nanoparticules de TiO2 dans la matrice PVDF. La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a été utilisée dans cette étude pour caractériser thermiquement les échantillons polymériques semi-cristallins. L'analyse thermo-gravimétrique (ATG) a été utilisée pour voir l'effet de nanoparticules sur les propriétés thermiques du PVDF. De plus, la technique de spectroscopie diélectrique a été utilisée dans la thèse pour étudier l'influence du processus d'élaboration sur la mobilité moléculaire trouvée dans ces systèmes. On a montré que le comportement de ces nanocomposites est proche de celui de PVDF pur. Les changements principaux observés sont le ralentissement de la dynamique de la relaxation alpha (associée à la température de transition vitreuse) et la relaxation alpha c (associée à la phase cristalline) en fonction de l'augmentation de fraction volumique TiO2. L'existence des charges piégées aux interfaces qui met en cause la présence de la polarisation interfaciale (IP) dans les différents nanocomposites a aussi été analysée. Les additions de TiO2 diminuent la mobilité des chaînes polymériques ce qui rend difficile l'orientation des dipôles électriques et augmente l'énergie d'activation de la relaxation de polarisation interfaciale / Polyvinylidene fluoride (PVDF) films have been filled with different volume fraction of titanate dioxide TiO2 using two ways : dispersion in the melt or in-situ generation based on the hydrolysis-condensation reactions of titanium alkoxide inorganic precursor premixed with PVDF under molten conditions. In this study, four techniques were used to study the relaxation processes in the semi-crystalline polymers. The scanning electron microscope (SEM) was introduced in the field of polymer science to study the dispersion of TiO2 nanoparticules in the PVDF matrix. The differential scanning calorimetry (DSC) was used in this study to thermally characterize the semi-crystalline polymer samples. Thermal gravimetric analysis (TGA) was used to see the effect of nanoparticles on the thermal properties of PVDF. In addition, the dielectric spectroscopy technique was used in the thesis to study the influence of the process on the molecular mobility found in these systems. It was shown that the behavior of PVDF as a matrix in these nanocomposite is close to that of pure PVDF. The main changes observed is the slowing down of the dynamics of the alpha a (associated to the glass transition temperature) and the alpha c (associated to the crystalline phase) relaxations as a function of the TiO2 volume fraction increase. The existence of charge carriers trapping at the interfaces related to the interfacial polarization (IP) in the different nanocomposites has also been analyzed. The additions of TiO2 decrease the mobility of the polymer chains which makes difficult the orientation of electric dipole moment ending in an increase of the energy of activation of IP relaxation

The design, fabrication, and characterization of polymer-carbon nanotube (CNT) composites have generated a significant amount of attention in the fields of materials science and polymer chemistry. The challenge in fabricating composites that exploit the unique properties of the CNT and the ideal processing ability and low cost of the polymer is in achieving a uniform dispersion of the filler in the polymer matrix. This body of work focuses on (1) techniques employed to disperse CNTs into a polymer matrix and (2) the effects of CNTs on the mechanical and electrical properties of the polymer. Poly (methyl methacrylate) (PMMA), an amorphous polymer, and poly (4-methyl-1-pentene) (P4M1P), a semi crystalline polymer, were chosen as the matrices. Non-functionalized single-walled carbon nanotubes and soot (unpurified carbon nanotubes) were chosen as the filler material. In the first study, single-walled carbon nanotubes (SWNTs) were sonicated in methyl methacrylate monomer and initiated via thermal energy, UV light, and gamma radiation. Composite films with increased dielectric constants and unique optical transparency were produced. Samples were characterized using differential scanning calorimetry, dielectric analysis, and dynamic mechanical analysis. Refractive Indices were obtained and correlated to the dielectric constant using Maxwells relationship. PMMA/soot composites were fabricated in the second study. Dispersion was accomplished by way of sonication and melt compounding. The PMMA/soot composites were exposed to gamma radiation, with a 137Cs gamma source, in order to investigate how the filler affects the polymers ability to resist radiation. Samples were characterized by differential scanning calorimetry, dielectric analysis, and dynamic mechanical.

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Ce travail de thèse se situe dans le concept général de contrôler, améliorer et optimiser la performance électrique des matériaux composites par l'analyse systématique de la réponse diélectrique globale des matériaux composites pour différentes morphologies. Pour mener à des informations complètes, une corrélation entre trois approches indépendants a été réalisée: des simulations numériques, des calculs analytiques et des mesures diélectriques (spectromètre diélectrique de type Novo-contrôle). D'abord on a établie des lois d'échelles et la contribution originale de cette thèse est de réussir à mettre des lois d'échelle universelle pour la réponse diélectrique globales des matériaux composites qui sont censés de servir à la base pour les actuelles et futures études sur les propriétés électriques et diélectriques des matériaux composites. Comme application, ces lois d'échelles que nous avons dérivées nous ont permis de développer des applications, tel que la conception des matériaux multicouches à haute permittivité et faible pertes diélectriques au service des applications dans des domaines de stockage d'énergie, en ajustant les valeurs de conductivité et les fractions de volume des phases constituantes. Cet approche a été menée sur des composites en structure bicouches constitués d'une superposition de couches de polymères ayant des conductivités différentes. Et en plus, ces lois d'échelles ont été à la base pour la découverte pour la première fois, d'un critère de discrimination entre deux types différent de polarisation électriques: la polarisation interfaciale de type MWS et la polarisation d'électrode. Aussi, on a dérivé une nouvelle formule qui est valable à la fois pour la polarisation d'électrode et les effets de la polarisation interfaciale. Elle permet non seulement d'estimer l'épaisseur des couches interfaciales formées à l'électrode en raison des effets de polarisation mais aussi à développer une nouvelle méthode de mesure de la conductivité des matériaux sans contact direct qui a servi pour des mesures couplées diélectrique – mécanique / This research is significant in that it not only develops a generalized approach for modeling the electrical properties of multiphase composite materials but also introduces novel experimental applications in the domain of dielectric properties of composite materials. In order to get complete information: numerical simulations, analytical calculations and dielectric measurements by means of Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) were carried out in this study. First, we derived the scaling laws through a systematically study of global dielectric response of composite materials with different morphology and the original contribution of this thesis is to succeed to derive a universal scaling laws for the global dielectric response of composite materials. Based on these scaling laws three achievements are taken place: designing layered polymer materials with high values of permittivity and low dielectric losses, by adjusting the values of conductivity and the volume fraction of the constituent phases. Also, we discover a new discrimination criterion for electrical polarizations at external and internal interfaces: electrode polarization vs. (MWS) interfacial polarization effects in dielectric spectra of materials. This work opens the general perspective of finding discrimination criteria for different types of electrical polarization, which will represent a useful tool in disseminating the nature of different contributions appearing in the dielectric spectra of materials. Based on our analysis, we derive a new formula. This formula is valid for both electrode polarization and interfacial polarization effects. It allows one to determine the conductivity value from the frequency position of the Maxwell-Wagner-Sillars peak. Measurements of the conductivity values of samples without a direct contact are done. An excellent agreement between experiment and calculations is obtained. This results offer the opportunity to develop a new coupled electrical-mechanical approach, by electrical measurements performed during mechanical stretching

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