Conclusion généraleConclusion générale
Conclusion générale
Ce travail s’intègre dans un vaste ensemble de recherches portant sur l’intercalation d’espèces donneur d’électrons dans le graphite, mené de longue date au Laboratoire de Chimie du Solide Minéral de l’Université Henri Poincaré.
Bien que l’intercalation du lithium dans le graphite ait été particulièrement étudiée pour ses propriétés électrochimiques et les applications qui en dérivent, peu de recherches, par contre, ont été menées sur sa co-insertion avec un tiers-élément ou sur son utilisation comme vecteur d’intercalation. Dans ce travail, ce sont ces deux aspects qui ont précisément été développés dans le but d’une part, de préparer des composés binaires par une voie de synthèse liquide – solide et d’autre part, de synthétiser de nouvelles phases ternaires.
L’emploi d’alliages fondus contenant du lithium s’est révélé particulièrement efficace pour préparer les phases binaires BaC6, CaC6 et EuC6. En effet, cette méthode originale permet d’obtenir des échantillons massifs, autorisant ainsi l’étude approfondie de ces matériaux. Le mécanisme mis en jeu au cours de ces réactions comporte deux étapes. Lors de la première, le lithium s’insère seul jusqu’à saturation, et dans la seconde, le tiers-élément vient se substituer au lithium pour conduire au composé binaire correspondant.
Les différents paramètres jouant un rôle dans la synthèse des deux phases ternaires d’ores et déjà connues dans le système graphite – lithium – calcium ont été examinés en détail. Le domaine d’obtention du composé Li3Ca2C6 à l’état pur a ainsi pu être étendu. Le mécanisme d’insertion conduisant à cette phase comporte également deux étapes. Le lithium vient tout d’abord occuper seul les intervalles graphitiques, puis l’insertion coopérative des deux éléments engendre la formation d’un insérat polycouche.
A l’aide de plusieurs méthodes de diffraction des rayons X spécialement mises au point pour l’étude des composés lamellaires, la structure de CaC6 a été entièrement déterminée. Cette phase s’avère être la seule de type MC6 à cristalliser dans une structure rhomboédrique. Par ailleurs, la structure cristallographique de la phase ternaire Li3Ca2C6 a pu être complétée. Mais il apparaît toutefois qu’une analyse par diffraction des neutrons permettrait d’obtenir des informations utiles sur la position des atomes de lithium.
Deux phases obtenues au cours de l’étude du système graphite – lithium – calcium se sont révélées supraconductrices avec des températures de transition particulièrement élevées pour cette famille de composés. En effet, elles atteignent 11,15 K et 11,5 K respectivement pour Li3Ca2C6 et CaC6. Des mesures magnétiques réalisées avec le champ appliqué tantôt parallèlement à l’axe cr, tantôt dans le plan perpendiculaire, ont permis d’établir leurs diagrammes de phases magnétiques qui révèlent une faible anisotropie en dépit de la structure lamellaire de ces matériaux. L’analyse approfondie du comportement de CaC6 dans son état supraconducteur à l’aide de techniques variées suggère un mécanisme d’appariement électron – phonon, en accord avec l’approche classique de la théorie BCS.
Par ailleurs, en raison de la forte analogie entre le calcium et l’europium, nous avons entrepris l’étude du système graphite – lithium – europium. C’est ainsi qu’une phase ternaire originale, dont la composition est proche de LixEuC4, a pu être quasiment isolée. Son analyse structurale conduit à une séquence d’empilement atomique le long de l’axe cr faisant intervenir principalement deux plans d’europium.
La caractérisation par spectrométrie Mössbauer de ce composé indique clairement que l’europium y adopte une valence +2. Dans cette configuration, l’europium possède un moment magnétique susceptible de conférer des propriétés magnétiques particulièrement intéressantes à cette phase. L’étude de ces propriétés a en effet révélé une transition ferromagnétique à 225 K et, en dessous de cette température, il apparaît un comportement nettement plus complexe, qui peut cependant s’expliquer qualitativement à l’aide d’interactions s’appuyant sur un modèle structural simple.
Ce travail ouvre de larges perspectives ; notamment, les résultats issus de l’étude du système contenant l’europium incitent naturellement à étendre les recherches au samarium et à l’ytterbium. En effet, ces deux métaux de terres rares sont également capables, comme l’europium, d’adopter un état divalent et possèdent des électronégativités très proches de celle de ce même métal. Il faut noter, par ailleurs, que l’ytterbium et le samarium ne s’insérent que difficilement dans le graphite par action directe de la vapeur. Par conséquent, l’emploi de la méthode liquide – solide pourrait permettre la préparation d’échantillons massifs de YbC6 et de SmC6. L’état supraconducteur de YbC6, récemment découvert, pourrait ainsi être caractérisé de manière plus approfondie et comparé à celui de CaC6. Enfin, des
Annexes
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Annexe 1 : Etude par diffraction des rayons X des
composés d’intercalation du graphite
Les échantillons synthétisés dans ce travail ont été obtenus à partir de plaquettes de pyrographite. Ce graphite particulier, très fortement orienté, conduit à des échantillons dont les cristallites ont les axes c parallèles entre eux à quelques degrés près tandis que les axes a et
b
r
sont orientés aléatoirement. Grâce à cette particularité texturale, l’échantillon se comporte comme un monocristal selon l’axe c (direction perpendiculaire aux plans de graphène) et comme une poudre dans les directions parallèles aux plans de graphène. Cette particularité permet d’étudier séparément les familles de réflexions 00l, hk0 et hkl.
Pour effectuer ces analyses, nous disposons au laboratoire de deux diffractomètres à anticathode de molybdène (λ = 0,70926 Å) spécialement adaptés à l’étude des composés lamellaires. Le premier montage est un diffractomètre à compteur classique (θ, 2θ). Le second est constitué d’un générateur à anode tournante associé à un dispositif permettant de réaliser des clichés par la méthode du « cristal tournant » sur ces échantillons particuliers.
A. Enregistrement des diffractogrammes 00l et hk0
Ces enregistrements sont obtenus à l’aide du diffractomètre classique (θ, 2θ). Le faisceau de rayons X issu de l’anticathode de molybdène traverse un monochromateur à lame de quartz, permettant ainsi de sélectionner uniquement le rayonnement Kα1 (λ = 0,70926 Å). Pour cela, l’échantillon est placé au centre de la platine goniométrique sur un porte-échantillon à berceau. Lors de l’enregistrement, le porte-porte-échantillon placé sur l’axe goniométrique tourne d’un angle θ pendant que le compteur tourne simultanément autour de de l’axe goniométrique d’un angle 2θ. La source quant à elle reste fixe. Lorsqu’un nœud du réseau réciproque traverse la sphère d’Ewald, la famille de plans (hkl) correspondante est en position de diffraction. La distance réticulaire dhkl qui caractérise cette famille de plans est obtenue à l’aide de la loi de Bragg :
hkl
d 2 sin
θ
=λ
où θ est l’angle de Bragg, λ est la longueur d’onde du rayonnement utilisé.
Pour étudier les réflexions 00l, il suffit de placer l’échantillon de sorte que son axe c coïncide avec la bissectrice de l’angle formé par le compteur et la source (Figure 74). Ainsi, lorsqu’un nœud 00l du réseau réciproque traverse la sphère d’Ewald, la réflexion correspondante située à l’angle θ est en position de diffraction et est donc observée. Le diffractogramme 00l est alors enregistré en balayant l’ensemble des angles θ. Le montage est ici employé en réflexion.
Le même montage est employé pour enregistrer le diffractogramme hk0, moyennant une rotation de l’échantillon de 90° (Figure 75). Dans ce cas, le montage est utilisé en transmission. Comme précédemment, l’enregistrement est effectué en balayant l’ensemble des valeurs de θ. L’étude du diffractogramme hk0 apporte des informations concernant l’organisation bidimensionnelle de l’insérat et fournit notamment, la maille plane de l’échantillon.