The closed shell structures of certain all-carbon fragments originally observed in mass spectroscopy experiments leads to the enhanced stability of these species, known as fullerenes, which have excited sufficient interest amongst chemists and physicists over the last decade to warrant the award of the 1996 Nobel Prize for Chemistry to their discoverers. ¶ Studies of the stability, symmetry, and consequent remarkable properties of fullerenes began in earnest in 1991 with the development of a technique enabling the production and purification of macroscopic quantities of material. The best known and most widely studied fullerene is the truncated icosahedral C[subscript 60] molecule, which forms the basis of the present work. ¶ One important property of C[subscript 60] is that it forms salts with sufficiently electropositive species, such as the alkali metals. The resulting salts contain C[subscript 60] anions and are known as fullerides. Certain of these salts display metallic behaviour, and some superconduct at temperatures as high as 33 K. ¶ Three aspects of fulleride research are addressed in this work. These are: i) the preparation, crystal structure determination and superconductivity characterization of several new fullerides, particularly those including ammonia as an additional intercalant; ii) the electronic structure of the C[superscript n-, subscript 60] (n = 1 - 6) anions, as probed by solution-phase near infrared absorption spectroscopy; and iii) the molecular dynamics of a number of fullerides, superconducting and non-superconducting, by inelastic neutron scattering. ¶ This work has grown out of an Honours project also concerning C[subscript 60], the combined duration of the two studies covering essentially the entire history of this widely and competitively studied field.

Cette thèse présente une étude complète de la structure et de la dynamique moléculaire dans une famille de composés conducteurs de la polyaniline plastdopée. Différentes techniques expérimentales ont été combinées dans cette étude comme la diffraction aux grands angles et la diffusion aux petits angles des rayons X (WAXS et SAXS), la diffusion incohérente quasi-élastique des neutrons et les simulations numériques de dynamique moléculaire basées sur les méthodes à champ de force.<br />Cette combinaison a permis de proposer un modèle de structure stable de type lamellaire pour ces composés présentant des fluctuations statistiques de densité électronique le long de l'axe d'empilement des couches moléculaires. De plus, il a été possible d'analyser en détails l'anisotropie structurale et l'évolution structurale des films sous étirement à la lumière de ce modèle.<br />Enfin, une seconde moitié de la thèse est consacrée à l'analyse des données de dynamique obtenues avec les mesures de diffusion quasi-élastique des neutrons. Il a été possible de montrer que l'essentiel de la dynamique dans la fenêtre de temps 10-13-10-9 s provient du mouvement des protons portés par les queues flexibles des dopants. Cette dynamique est très distribuée en temps et aussi dans l'espace tant le long de chaque plast-dopant que parmi les plast-dopants entre eux. Les résultats de simulation numérique sont en accord remarquable avec ces mesures expérimentales. Les trajectoires des atomes calculées dans ces simulations ont permis de recalculer toutes les fonctions de diffusion mesurées par ailleurs expérimentalement. Les simulations ont non seulement confirmé les hypothèses sur lesqueslles avait été bâti un modèle analytique pour la dynamique mais de plus ont révélé des précisions sur la façon dont la dynamique est distribuée entre les contre-ions.

In this thesis, we have performed systematical study of anomalous electric and magnetic behaviors of the 3d transition metal oxides; colossal magnetoresistance (La1−xRxMnO3 where R is a divalent alkaline earth ion) and Multiferroic (Ho1-xLaxMn2O5) systems by X-ray and Neutron scattering techniques. In our study, the enhancement of the transfer temperature for La0.8Ba0.2MnO3 under strain effect from the SrTiO3 substrate could be possible due to two reasons which one is Sr diffusion from SrTiO3 substructure, and other one is the octahedral MnO6 high symmetry are increasing. We focus the intrinsic strain effect on La0.67Ca0.33MnO3 and La0.8Ba0.2MnO3 films, and findings show that due to the different ionic sizes of doped Ca or Ba ions, the strain effect acts differently in the way it deforms. The interfacial strain effect produces opposite influences on the lattice symmetry, the average Mn¡VO bond lengths, the average oxygen disorders, the coupling symmetries inside and in the vicinity of the MnO6 octahedrons, as well as producing an opposing trend in metal-insulator and magnetic transition temperatures of the strained La0.67Ca0.33MnO3 and La0.8Ba0.2MnO3 films. The strain effects on the electronic structures of La0.67Ca0.33MnO3 and La0.8Ba0.2MnO3 thin films have been studied by O K-edge x-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy. For La0.67Ca0.33MnO3, the first-principles calculations reveal that the features in the XANES spectra are associated with hybridized states between O 2p and Mn minority-spin 3d t2g and eg, La 5d/Ca 3d, and Mn 4s/Ca 4p states. An analysis of these features shows that the tensile strain decreases substantially La¡VO and Ca¡VO hybridization and TC for La0.67Ca0.33MnO3. For La0.8Ba0.2MnO3, the small compressive strain enhances slightly La¡VO and Ba¡VO hybridization and TC. In this thesis, the influence of the local structure distortion on the magnetic transition in La doped HoMn2O5 Multiferroics has been investigated systematically. The orthorhombic crystal structure of Ho1−xLaxMn2O5 is maintained up to x¡Ø0.2 but decomposed into multiphase for x¡Ù0.25. By doping La ions to a concentration of 0.1¡Øx¡Ø0.2, the formation of the RMnO3 1(13) phase can be suppressed and single-phase Ho1−xLaxMn2O5 (0.1¡Øx¡Ø0.2) compounds can be formed under 1 atm flowing oxygen. For x=0.2, a ferromagnetic FM transition at 150 K is superimposed on the paramagnetic background, which implies that the compound undergoes a ferromagnetic to antiferromagnetic (AFM) transition. This unique FM to AFM transition is observed for the first time. The FM transition is attributed to the formation of magnetic clusters in a host paramagnetic matrix. The anomalous magnetic clusters phenomena observed in Ho0.8La0.2Mn2O5 can be directly attributed to the different properties between Ho and La ions, and the differences of Ho and La ions are not only in the ionic radius but also in the electron negativity. During 90~150K, X-ray scattering diffraction presented the new addition peaks indicates the new electric density distribution, and the Neutron powder scattering diffraction (NPD) refining results show that the local structure of R-O (R: La, Ho) is un-symmetry which is conflict to the La Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) (which shows that the local structure of La-O becomes more symmetry than H-O. Since the refining values of the NPD are an average of entire crystal, such that it cannot tell the local changes. X-ray absorption spectrum (XAS) and EXAFS, in contrarily, can provide the local information. They implies that the temperature evolutions of the coupling strength with O 2p or unoccupied density state are opposite for the Ho and La ions in our Ho0.8La0.2Mn2O5 sample. Therefore, local change of ions position and charge redistribution happens in this specific temperature range.

The R2PdSi3 (R = heavy rare earth) have been synthesized first in 1990 in the search for materials with unusual electronic properties. The availability of single crystals was the starting point for several investigations of the magneto-crystalline anisotropy, also in applied magnetic fields. The results of the observed properties in resistivity, magnetization and susceptibility lead to the summary that these compounds range from interesting to exotic and that their magnetic properties are low dimensional, spin-glass like and altogether “novel”. The focus of this thesis is the careful analysis of the magnetic properties and magnetic structures of single crystalline R2PdSi3 (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm). The investigation of macroscopic properties uses magnetization and ac-susceptibility measurements. Resulting from these investigations are magnetic phase diagrams. Neutron and resonant X-ray diffraction measurements elucidate the magnetic structure for the investigated compounds. The phase diagram of Tb2PdSi3 is the starting point of a detailed neutron diffraction study in applied magnetic fields up to 6.5 T and in the temperature range from 0.05 K to 100 K on this compound. Key to the understanding of the R2PdSi3 is the strong coupling of crystallographic structure to the magnetic properties. Thus the established framework of exchange interaction and magneto-crystalline anisotropy allows a collective description instead of a “novel” behavior. / Die R2PdSi3 (R = schwere seltene Erde) sind erstmals 1990, im Rahmen der Suche nach Materialien mit ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften, synthetisiert worden. Die Verfügbarkeit von Einkristallen war der Startpunkt für eine Vielzahl von Untersuchungen, auch in angelegten Magnetfeldern, der magneto-kristallinen Anisotropie. Das Ergebnis der untersuchten Eigenschaften Widerstand, Magnetisierung und Suszeptibilität führte zu dem Schluss, dass diese Verbindungen interessant bis exotisch und das ihre magnetischen Eigenschaften niedrig dimensional, spin-glas ähnlich und insgesamt “neuartig“ sind. Der Schwerpunkt dieser Dissertation ist die genaue Analyse der magnetischen Eigenschaften und Magnetischen Strukturen von einkristallinen R2PdSi3 (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm). Magnetisierungs- und Suszeptibilitäts-Messungen werden zur Untersuchung der makroskopischen Eigenschaften benutzt. Resultat dieser Untersuchungen sind magnetische Phasendiagramme. Neutronen und resonante Röntgendiffraktrometrie klären die magnetische Struktur der untersuchten Verbindungen auf. Das Phasendiagramm von Tb2PdSi3 ist der Startpunkt einer detaillierten Neutronendiffraktionsuntersuchung dieser Verbindung in Magnetfeldern bis 6.5 T und im Temperaturbereich von 0.05 K und 100 K. Der Schlüssel zum Verständnis der R2PdSi3 ist die starke Kopplung der kristallografischen Struktur und der magnetischen Eigenschaften. Dadurch erlaubt das etablierte System aus Austauschwechselwirkung und magneto-kristalliner Anisotropie eine gemeinsame Beschreibung anstatt „neuartigem“ Verhalten.

Gegenstand des Vorhabens im Rahmen der WTZ mit Russland ist die Versprödung des Reaktordruckbehälters infolge der Strahlenbelastung mit schnellen Neutronen im kernnahen Bereich. Um den Einfluss von bestrahlungsinduzierten Gitterdefekten auf die mechanischen Eigenschaften zu ermitteln, wurden analytische Berechnungen zum Einfluss von Hindernissen auf die Beweglichkeit von Versetzungen und damit auf die Ausbildung einer plastischen Zone an der Rissspitze durchgeführt. Es wird demonstriert, dass sich die an der Rissspitze entstehenden Versetzungen an dem Hindernis (bestrahlungsinduzierte Punktdefekte) aufstauen. In Abhängigkeit der Rissbelastung KI und der Entfernung des Hindernisses von der Rissspitze werden die Versetzungsdichte und das durch den Versetzungsstau verursachte Spannungsfeld berechnet. Mit Hilfe von Experimenten zur Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS - small angle neutron scattering) an verschiedenen WWER-Stählen und Modelllegierungen wurden Größenverteilungen und die Volumenanteile der strahleninduzierten Defekte für verschiedene Bestrahlungszustände (Fluenzen, Bestrahlungstemperaturen) ermittelt. Es wurde gezeigt, dass sich die strahleninduzierte Werkstoffschädigung durch Wärmebehandlung weitgehend wieder ausheilen lässt. Nach der thermischen Ausheilung ist der Werkstoff bei erneuter Bestrahlung weniger anfällig für strahleninduzierte Defekte. Die Ergebnisse der SANS-Untersuchungen wurden mit der Änderung der mechanischen Eigenschaften (Härte, Streckgrenze und Sprödbruchübergangstemperatur) korreliert. Mit der kinetischen Gitter-Monte-Carlo-Methode wurden numerische Sensitivitätsstudien zum Einfluss des Cu-Gehalts auf die Stabilität von Defekt-Clustern durchgeführt. Die Berechnungen zeigen, dass die Anwesenheit von Cu-Atomen zur Bildung von langlebigen Defekten führt. Dabei werden Leerstellen in Cu/Leerstellen-Cluster eingefangen. Leerstellen in reinem Eisen sind bei Bestrahlungstemperaturen von 270 °C dagegen nicht stabil, die Lebensdauer liegt zwischen 0.01 s und 1 s. Die kritische Cu-Konzentration, ab welcher stabile Defekte entstehen, beträgt ca. 0.1 Masseprozent.

Entangled polymeric fluids subjected to shear display a stress plateau through a range of shear rates. The formation of this plateau is often attributed to an entanglement-disentanglement transition in scientific literature. However, to our best knowledge in situ studies recovering the intermediate scattering function of polymer dynamics under shear have until now never been performed. This thesis documents the successful development of a high viscosity shear device whose interaction with polarized neutrons is small enough to allow use for Neutron Spin Echo spectroscopy. Further, first measurements towards the direct observation of the variation of the degree of entanglement throughout increasing shear are documented, albeit yet for too short Fourier times to measure beyond Rouse dynamics.

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An der Neutronen-Flugzeit-Anlage nELBE des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf sollen Reaktionsquerschnitte mit Relevanz für die nukleare Transmutation bestimmt werden. Die Transmutation hochradioaktiver Abfälle aus abgebrannten Brennelementen thermischer Kernreaktoren in schnellen Neutronenspektren hat das Potential die langlebige Radiotoxizität der Abfälle deutlich zu reduzieren. Zum grundlegenden Verständnis der Physik der Transmutation müssen sowohl Spalt- und Neutroneneinfang-Wahrscheinlichkeiten von Brennelementbestandteilen als auch inelastische Streuquerschnitte an Konstruktionsmaterialien im schnellen Neutronenspektrum mit möglichst kleinen Unsicherheiten bekannt sein. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Messung des inelastischen Neutronen-Streuquerschnittes mit Hilfe einer neu entwickelten Doppel-Flugzeit-Methode. Mit einem kombinierten Aufbau aus Plastik- und BaF2-Szintillationsdetektoren werden die beim Streuprozess emittierten Neutronen und Photonen in Koinzidenz erstmalig nachgewiesen und dadurch der bei der Streuung angeregte Zustand des Zielkerns identifiziert. An nELBE wird weltweit einzigartig der Elektronenstrahl eines supraleitenden Linearbeschleunigers, des ELBE-Beschleunigers, zur Erzeugung schneller Neutronen benutzt. Dieser wird auf einen Kreislauf flüssigen Bleis fokussiert, in dem die Elektronen Bremsstrahlung erzeugen, die wiederum Neutronen aus Bleikernen herauslöst. Durch die kurze Zeitdauer der Elektronenstrahlimpulse von ca. 5 ps kann mit einem kompakten Neutronenquellvolumen auch mit einer kurzen Flugstrecke eine gute Zeitauflösung erzielt werden. Das emittierte Neutronenspektrum hat eine einem Maxwell-Boltzmann-Spektrum ähnliche Verteilung und reicht von etwa 10 keV bis etwa 10 MeV. Bei einem verwendbaren Elektronenstrom von 15 μA beträgt die Quell-Stärke etwa 1,6 · 10^11 n/s. Die Neutronen werden kollimiert und auf eine Probe natürlichen Eisens geschossen, die bei einer Flugstrecke von etwa 6 m positioniert war. Die Probenposition ist von einem Array von bis zu 42 BaF2-Szintillationsdetektoren zur Photonendetektion umgeben. In einem Abstand von 1 m sind fünf 1 m lange Plastik-Szintillationsdetektoren zum Neutronennachweis aufgebaut. Zur Bestimmung des einfallenden Neutronenflusses wurde eine 235U-Spaltkammer verwendet, die bei einer Flugstrecke von etwa 4,3 m zwischen Neutronenquelle und Probe aufgestellt war. Die Signale aller Detektoren werden von einer speziell dafür entworfenen VME basierten Datenaufnahmeelektronik verarbeitet und die Zeit- und Ladungs-Werte bestimmt. Aus dem Detektionszeitpunkt des Photons wird die Flugzeit und damit die Energie des einfallenden Neutrons bestimmt. Aus der Zeitdifferenz zwischen der Photonen- und Neutronendetektion ergibt sich die Flugzeit bzw. Energie des gestreuten Neutrons. Mit Hilfe von Kinematik-Rechnungen können die Ereignisse herausgefiltert werden, die der inelastischen Streuung unter Anregung eines bestimmten Kernniveaus eines bestimmten Isotops entsprechen. Aus dem Verhältnis von eingefallenem Neutronenstrom und nachgewiesenen Streuereignissen jeder Kombination aus einem Plastik- und einem BaF2-Szintillationsdetektor wurde entsprechend der Raumwinkelabdeckung der Detektoren der winkel- und energiedifferentielle inelastische Streuquerschnitt bestimmt.

Austenitic stainless steels are commonly used in nuclear reactors and have been considered as potential structural materials in fusion reactors due to their excellent corrosion resistance, good creep and fatigue resistance at elevated temperatures, but their relatively low yield strength and poor radiation tolerance hinder their applications in high dose radiation environments. High angle grain boundaries have long been postulated as sinks for radiation-induced defects, such as bubbles, voids, and dislocation loops. Here we provide experimental evidence that high angle grain boundaries can effectively remove radiation-induced defects. The equal channel angular pressing (ECAP) technique was used to produce ultrafine grained Fe-Cr-Ni alloy. Mechanical properties of the alloy were studied at elevated temperature by tensile tests and in situ neutron scattering measurements. Enhanced dynamic recovery process at elevated temperature due to dislocation climb lowers the strain hardening rate and ductility of ultrafine grained Fe-Cr-Ni alloy. Thermal stability of the ultrafine grained Fe-Cr-Ni alloy was examined by ex situ annealing and in situ heating within a transmission electron microscope. Abnormal grain growth at 827 K (600°C) is attributed to deformation-induced martensite, located at the triple junctions of grains. Helium ion irradiation studies on Fe-Cr-Ni alloy show that the density of He bubbles, dislocation loops, as well as irradiation hardening are reduced by grain refinement. In addition, we provide direct evidence, via in situ Kr ion irradiation within a transmission electron microscope, that high angle grain boundaries in nanocrystalline Ni can effectively absorb irradiation-induced dislocation loops and segments. The density and size of dislocation loops in irradiated nanocrystalline Ni were merely half of those in irradiated coarse grained Ni. The results imply that irradiation tolerance in bulk metals can be effectively enhanced by microstructure refinement.

L’étude des corrélations dans les fluides quantiques est abordée dans cette thèse par le biais de mesures neutroniques de leurs excitations élémentaires. Nos recherches sont motivées par les théories récentes qui permettent désormais de décrire ces excitations jusqu’à des vecteurs d’onde atomiques. Par ailleurs, les nouvelles performances du spectromètre temps de vol IN5 de l’ILL offrent la possibilité de réaliser des mesures précises dans une large gamme d’énergie et de vecteur d’onde. Dans le cas de l’4He, l’isotope bosonique, les mesures de diffusion inélastique ont été réalisées à très basse température, de la pression de vapeur saturante jusqu’à la solidification. Les relations de dispersion des excitations élémentaires correspondantes ont été obtenues avec une grande précision. A des énergies supérieures, nous avons observé dans le facteur de structure dynamique une réponse de multi-excitations très fortement structurée, caractérisée par des seuils correspondant à l’interaction entre les modes élémentaires. En particulier, nous avons observé un phonon “fantôme” associé à l’interaction phonon-phonon. Nos mesures dans l’4He superfluide confirment qualititativement les prédictions de la théorie dynamique à N-corps (2015) et même quantitativement jusqu’à une énergie de 2 meV. Les études effectuées dans le cas de l’3He ont été menées jusqu’à des températures bien inférieures à 100 mK dans une cellule spécialement conçue. Les mesures inélastiques sur cet isotope fermionique ont permis de déterminer avec une grande précision les modes collectifs, zéro-son et paramagnon, ainsi que la bande particule-trou. Couvrant une région encore jamais explorée, elles nous ont permis de confirmer la présence prévue par la théorie d’une excitation de type rotonique dans l’3He liquide massif. Ce mode reste ici confiné dans la bande particule-trou, contrairement au cas de l’3He bidimensionnel. L’ensemble de nos mesures apporte une vision complète du facteur de structure dynamique de ces systèmes modèles pour les bosons et les fermions en interaction, depuis le régime de quasi-particules de Landau et des multi-excitations, jusqu’à la limite des hautes énergies où la dynamique rejoint celle des particules indépendantes. / The effect of correlations in quantum fluids is investigated in the present work by inelastic neutron scattering measurements of their elementary excitations.Recent theories provide us with a detailed description of the dynamics up to atomic wave vectors. In addition, the recent improvement of the time-of-flight IN5 spectrometer at the ILL opens new experimental possibilities in terms of neutron flux and resolution, as well as accessible energy and wave vector ranges. In the case of 4He, the bosonic isotope, the neutron measurements have been performed at very low temperatures, from the saturated vapor pressure up to the melting curve. The dispersion relations of the corresponding elementary excitations have been accurately determined. At higher energies, we observe in the dynamic structure factor a highly structured multi-excitation response, characterized by sharp thresholds due to the coupling of elementary excitations. In particular, we observe a ghost phonon related to phonon-phonon coupling. Our measurements on superfluid 4He confirm the predictions of the dynamic many body theory (2015), the agreement being quantitative up to an energy of 2 meV. The investigations on normal liquid 3He were carried out at temperatures well below 100 mK in a cell specially designed for this purpose. Ourmeasurements on this fermionic isotope yield a high precision determination of the collective modes, zero-sound and paramagnon, as well as the particle-hole band. Since they also cover an unexplored region, we were able to confirm the theoretical prediction of a roton-like excitation in bulk liquid 3He. This mode remains within the particle-hole band, contrarily to the case of two-dimensional 3He. A broad vision of the dynamics of interacting Bose and Fermi systems, going from the Landau quasi-particles and multi-excitations regimes up to the high-energy limit, where the independent particle dynamics is recovered, emerges from our work.