A detailed study of the lithiation of iron phosphate as well as the development of a novel synthesis of lithium iron silicate as cathode material for lithium-ion batteries

Dans cette thèse nous démontrons le travail fait sur deux matériaux de cathodes pour les piles lithium-ion. Dans la première partie, nous avons préparé du phosphate de fer lithié (LiFePO4) par deux méthodes de lithiation présentées dans la littérature qui utilisent du phosphate de fer (FePO4) amorphe comme précurseur. Pour les deux méthodes, le produit obtenu à chaque étape de la synthèse a été analysé par la spectroscopie Mössbauer ainsi que par diffraction des rayons X (DRX) pour mieux comprendre le mécanisme de la réaction. Les résultats de ces analyses ont été publiés dans Journal of Power Sources. Le deuxième matériau de cathode qui a été étudié est le silicate de fer lithié (Li2FeSiO4). Une nouvelle méthode de synthèse a été développée pour obtenir le silicate de fer lithié en utilisant des produits chimiques peu couteux ainsi que de l’équipement de laboratoire de base. Le matériau a été obtenu par une synthèse à l’état solide. Les performances électrochimiques ont été obtenues après une étape de broyage et un dépôt d’une couche de carbone. Un essai a été fait pour synthétiser une version substituée du silicate de fer lithié dans le but d’augmenter les performances électrochimiques de ce matériau.

Mössbauer studies of the corrosion products of iron formed in aqueous ammonium nitrate solution

The products of corrosion reaction of electrolytic iron in 45% ammonium nitrate solution formed under various conditions of time, temperature and pH have been analysed mainly by Mössbauer spectroscopy, in combination with X-ray diffraction, infrared absorption and electron microscopy techniques. γ-Fe00H is found to be the major product of hydrolytic precipitation at pH > 5.6 while only α-FeOOH is formed at pH < 3.0. In the pH range 3.0 < pH < 5.0, α-Fe00H and ferrihydrite are both formed. However, once the nuclei of α-Fe00H are formed under low pH conditions, their growth is favoured even in the otherwise unfavourable slightly acidic medium, resulting in a hydrous α-Fe00H which has two distinct hyperfine fields at the 57Fe nucleus. Magnetite is always formed in the vicinity of the metal and its rate of formation on the surface increases with temperature. α-Fe203 is the major product of hydrolytic precipitation at temperatures >80C. The possible mechanisms for the formation of each of the corrosion products are discussed.

Infrared and Mössbauer spectroscopic study of the metal-insulator transition in some oxides of perovskite structure

The IR spectra of some LaNi1−xBxO3 (B = Cr, Fe, and Co) compounds having perovskite structure have been studied in the range 1000−300 cm−1. An investigation of the changes in the metal-oxygen stretching frequency as x → xc from the insulating side has been carried out. An important feature is that as x → xc the vibrational features in the infrared spectra disappear when the resistivity is not, vert, similar10−1 Ω cm which is of two orders of magnitude more than the value of varrho0 at which the temperature coefficient of resistance changes sign. Mössbauer studies on Fe-containing samples with various conductivities show that the isomer shift decreases as conductivity increases which is indicative of larger Fe---O overlap.

Mössbauer Lineshape in the Presence of Radio-Frequency Fields

A general expression for the Mössbauer lineshape in the presence of a radio frequency field is derived. As an example the effect of the rf field on Fe57 nuclei is discussed for a situation where the 3/2 sublevel of 14.4 keV state of Fe57 is selectively populated. At resonance, both the diagonal and non-diagonal matrix elements contribute to the correlation function. As a result, in addition to a slight rf induced distortion of the main Mössbauer line. additional transition lines are obtained. Thus the present calculation supports the experimental observations of Heiman et al.

4,4′-Bipyridyl complexes of iron: Magnetic, Mössbauer and other spectroscopic studies

4,4prime-Bipyridyl (4,4prime-bipy) complexes of ferrous salts of the Fe(4,4prime-bipy)x(anion)y type (where x or y=1 or 2) and of ferric salts of the Fe(4,4prime-bipy)m(anion)n type (where m=1 or 2 and n=3) have been synthesised. Elemental analyses, i.r. and electronic spectra, magnetic and Mössbauer studies have been performed to characterize the complexes. 4,4prime-Bipy and some anions are inferred to act as bridging ligands. The magnetic moments, electronic and Mössbauer spectra suggest that the complexes are of high spin type with distorted octahedral structures. The value of the isomer shift and quadrupole splitting are discussed in terms of bonding of the ligand and anions.

Fe-57 Mössbauer and Mo K-EXAFS Investigations of MoxFe3-xO4, an Interesting Mixed-Valent Oxide System

Ferrites of the formula MoxFe3-xO4, prepared by a soft-chemistry route, show mixed valence states of both iron and molybdenum cations. Mössbauer studies show that Fe2+ and Fe3+ ions are present on both the A and B sites, giving Fe an average oxidation state between 2+ and 3+. Molybdenum is present in the 3+ and the 4+ states on the B sites. The presence of Mo in the 3+ state has been established by determining the Mo3+-O distance (2.2 Å), for the first time, by Mo K-EXAFS. The mixed valence of Fe on both the A and B sites and of Mo on the B sites is responsible for the fast electron transfer between the cations. All the Mössbauer parameters including the line width show a marked change at a composition (x ? 0.3) above which the concentration of Fe2+A increases rapidly.

Mössbauer effect and electron paramagnetic resonance studies on zinc borate glasses containing transition metal oxides

Studies have been carried out in glasses containing Fe2O3, V2O5, and Fe2O3 + V2O5. Mossbauer studies in the ZnO-B2O3-Fe2O3 system show that iron is present as Fe3+ with tetrahedral coordination and that the isomer shift and the quadrupole splitting decrease with increase of Fe2O3 Content; similarly, the isomer shift and quadrupole splitting are also found to decrease with increasing ZnO. On the other hand, in the Na2O-ZnO-B2O3-Fe2O3 system, the isomer shift increases with Na2O or ZnO while the quadrupole splitting is fairly insensitive. Electron paramagnetic resonance in the ZnO-B2O3-Fe2O3 system shows signals at g = 4.20 and 2.0, whose intensity and linewidth show strong dependence on Fe2O3 content. In the ZnO-B2O3-V2O5 system, electron paramagnetic resonance shows that vanadium is present as the vanadyl complex, and the hyperfine coupling constants, A(parallel-to) and A(perpendicular-to) decrease with increasing V2O5 content; on the other hand, g(parallel-to) decreases and g(perpendicular-to) increases slightly, indicating an increase in tetragonal distortion. Zinc borate glasses containing Fe2O3 + V2O5 do not show the hyperfine structure of V4+ due to the interaction between Fe3+ and V4+

Caracterización estructural y magnética de aleaciones intermetálicas Fe-Al-Si mediante espectroscopia Mössbauer

253 p.

Mössbauer effect investigations of the hyperfine interactions and relaxation phenomena in salts of thulium

Two new phenomena have been observed in Mössbauer spectra: a temperature-dependent shift of the center of gravity of the spectrum, and an asymmetric broadening of the spectrum peaks. Both phenomena were observed in thulium salts. In the temperature range 1˚K ≤ T ≤ 5˚K the observed shift has an approximate inverse temperature dependence. We explain this on the basis of a Van Vleck type of interaction between the magnetic moment of two nearly degenerate electronic levels and the magnetic moment of the nucleus. From the size of the shift we are able to deduce an “effective magnetic field” H = (6.0 ± 0.1) x 10⁶ Gauss, which is proportional to ‹r^-3›_M‹G|J|E› where ‹r^-3›_M is an effective magnetic radial integral for the 4f electrons and |G› and |E› are the lowest 4f electronic states in Tm Cl₃·6H₂O. From the temperature dependence of the shift we have derived a preliminary value of 1 cm^-1 for the splitting of these two states. The observed asymmetric line broadening is independent of temperature in the range 1˚K ≤ T ≤ 5˚K, but is dependent on the concentration of thulium ions in the crystal. We explain this broadening on the basis of spin-spin interactions between thulium ions. From size and concentration dependence of the broadening we are able to deduce a spin-spin relaxation time for Tm Cl₃·6H₂O of the order of 10^-11 sec.

~(57)Fe,~(119)Sn掺杂Bi_2Sr_2Ca_(n-1)Cu_nO_(2n+4)的化学键性质和Mssbauer谱位移研究

利用电介质的平均能带模型计算了Bi2 Sr2 Can- 1CunO2n +4 (n =1,2 ,3)的化学键参数 .应用由共价性和极化率定义的化学环境因子计算了57Fe和119Sn在Bi2 Sr2 Can - 1CunO2n +4 中的M ssbauer同质异能位移 ,确定了57Fe和119Sn在Bi2 Sr2 Can- 1CunO2n +4 中的价态和占位情况 .

TlCu1.73Fe0.27Se2 studied by means of Mössbauer spectroscopy and SQUID magnetometry

TlCu2-xFexSe2 is a p-type metal for x < 0.5 which crystallizes in a body-centred tetragonal structure. The metal atoms are situated in ab-planes, similar to 7 angstrom apart, while the metal - metal distance within the plane is similar to 2.75 angstrom. Due to the large difference in cation distances, the solid solutions show magnetic properties of mainly two-dimensional character. The SQUID measurements performed for x = 0.27 give the c-axis as the easy axis of magnetization, but also show clear hysteresis effects at 10 K, indicating a partly ferromagnetic coupling. The magnetic ordering temperature T-c is 55( 5) K as found from both SQUID and Mossbauer spectra. At T << Tc the magnetic hyperfine fields are distributed with a maximum at about 30 T, which are compared to the measured magnetic moment per iron atom, which is 0.97 mu(B)/Fe as found from SQUID measurements. The experimental results are compared to results using other methods on isostructural Tl selenides.

Imagerie à haut contraste et caractérisation d'exoplanètes par la spectroscopie intégrale de champ

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe.

Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.