Дисертації з теми "Ion Conducting Glasses"

Fast-ion conducting glasses of the compositions Na1+xM2-x/3SixP3-xOI2-2x3 (0≤ x ≤3), where M = Zr, Ti, were studied to determine their structural arrangement, physical properties and ionic conductivity. Glass samples were prepared using the conventional melt-quench method in the melting temperature range, 1550 °C to 1650 °C. Glass products were characterised by XRD, DTA, dilatometry and density measurement. Solid state MAS NMR experiments of three accessible nuclei, 23Na, 29Si and 31P were used to determine short-range order arrangement in the glasses. XRD confirms the amorphicity of glasses for the compositions of x in range 0-3. Glass transition temperatures, Tg. TEC, and molar volume are controlled by glass composition. The MAS NMR results suggest that glass structure could be visualised as the silicate network modified by Na+ and Zr4+ or Ti4+ and [PO4] tetrahedra link up with the remaining of these modifiers with no Si-O-P observed. The glass structures were also controlled by the compositions. Using parameters determined by DTA, the corresponding glass-ceramics were produced by heat treatment for 4 hr. The composition containing ZrO2 provided the fast-ion conducting crystalline phase at a small concentration. The major crystalline phase is Na2ZrSi2O7. Glass-ceramics containing TiO2 produce very small concentration of the crystallised phase. Ionic conductivity measurement was used to determine the electrical properties of glass and glass-ceramics. Glasses having high Na2O content showed the higher ionic conductivity compared to the others.

L'objectif principal de ce travail est de développer une nouvelle vitrocéramique structurée par NASICON avec une conductivité Li-ion élevée. Par conséquent, ce travail présente une nouvelle série de compositions de type NASICON sur la base du système Li1+xCrx(GeyTi1-y)2-x(PO4)3. Dans un premier temps, une composition spécifique de ce système a été synthétisée par la méthode de fusion et refroidissement rapide, suivie d'une cristallisation. Le comportement de cristallisation du verre précurseur a été examiné par calorimétrie différentielle à balayage et spectroscopie infrarouge. Les principaux résultats indiquent que le verre précurseur présente une nucléation homogène, a une stabilité de verre considérable et cristallise une phase de type NASICON, qui permet d'obtenir des électrolytes solides par voie vitrocéramique. Dans une deuxième étape, on examine l'effet de la substitution de Ti par Cr et Ge sur la stabilité de verre du verre précurseur, sur les paramètres structuraux de la phase cristalline NASICON et sur les propriétés électriques des vitrocéramiques. Par conséquent, un ensemble de seize compositions de ce système est synthétisé. Les principaux résultats indiquent que la stabilité de verre augmente lorsque Ti est remplacé par Ge et Cr. Après cristallisation, toutes les vitrocéramiques présentent une phase de type NASICON, et leurs paramètres de maille décroissent avec Ge et augmentent avec la teneur en Cr, ce qui permet de régler le volume de la cellule unitaire de la structure de type NASICON. De plus, la conductivité ionique et l'énergie d'activation pour la conduction du lithium dans les vitrocéramiques dépendent notamment du volume de la cellule unitaire de la structure de type NASICON. Enfin, la fenêtre de stabilité électrochimique de la vitrocéramique à structure NASICON de conductivité ionique la plus élevée est étudiée. Les mesures de voltampérométrie cyclique sont suivies par spectroscopie d'impédance électrochimique in situ, permettant de déterminer l'effet des réactions d'oxydation et de réduction sur les propriétés électriques des vitrocéramiques en question. La spectroscopie photoélectronique par rayons X, à son tour, est appliquée pour déterminer quelles espèces chimiques subissent une réduction/oxydation. Nos résultats révèlent que la stabilité électrochimique de ce matériau est limitée par la réduction des cations Ti+4 dans les faibles potentiels et par l'oxydation des anions O-2 dans les hauts potentiels. Aux hauts potentiels, un comportement similaire a également été rencontré pour d'autres conduites Li-ion de type NASICON bien connues, suggérant que le comportement électrochimique dans les potentiels oxydatifs pourrait être généralisé pour les phosphates à structure NASICON
The primary goal of this work is to develop a new NASICON-structured glass-ceramic with high Li-ion conductivity. Therefore, this work introduces a new series of NASICON-type compositions based on the Li1+xCrx(GeyTi1-y)2-x(PO4)3 system. At first, a specific composition of this system is synthesized by the melt-quenching method, followed by crystallization. The crystallization behavior of the precursor glass is examined by differential scanning calorimetry and infrared spectroscopy. The main results indicate that the precursor glass presents homogeneous nucleation, has considerable glass stability and crystallizes a NASICON-like phase, which allows solid electrolytes to be obtained by the glass-ceramic route. As a second step, we examine the effect of substituting Ti by Cr and Ge on the glass stability of the precursor glass, on the structural parameters of NASICON-like phase and the electrical properties of the glass-ceramics. Hence, a set of sixteen compositions of this system is synthesized. The main results indicate that the glass stability increases when Ti is replaced by Ge and Cr. After crystallization, all the glass-ceramics present NASICON-like phase, and their lattice parameters decrease with Ge and increase with Cr content, making it possible to adjust the unit cell volume of the NASICON-type structure. Furthermore, the ionic conductivity and activation energy for lithium conduction in the glass-ceramics are notably dependent on the unit cell volume of the NASICON-type structure. Finally, the electrochemical stability window of the NASICON-structured glass-ceramics of highest ionic conductivity is investigated. Cyclic voltammetry measurements are followed by in situ electrochemical impedance spectroscopy, enabling the effect of oxidation and reduction reactions on the electrical properties of the glass-ceramics in question to be determined. X-ray photoelectron spectroscopy, in turn, is applied to determine which chemical species undergo reduction/oxidation. Our findings reveal that the electrochemical stability of this material is limited by the reduction of Ti+4 cations in low potentials and by the oxidation of O-2 anions in high potentials. At high potentials, similar behavior is also encountered for other well-known NASICON-like Li-ion conducting suggesting that the electrochemical behavior in oxidative potentials could be generalized for NASICON-structured phosphates

Le but de ce travail de thèse a consisté à étudier les propriétés physico-chimiques des verres chalcogénures des systèmes pour pouvoir les utiliser comme les membranes des capteurs chimiques pour le dosage des ions TI⁺ et NA⁺ . D'abord, on a effectué les mesures des propriétés macroscopiques telles que les densités et les températures caractéristiques (Tg, Tc, Tf) et leur analyse selon les compositions des verres. Après, les propriétés de transport ont été étudiés à l'aide de la spectroscopie d'impédance complexe ou par les mesures de la résistivité. Il a été ainsi montré l'effet de cation mixte pour les trois systèmes vitreux avec les ions TI/Ag et le régime de la percolation dans le système NaCl-Ga₂S₃-GeS₂ . Puis, on a réalisé les mesures de diffusion par traceur ¹⁰⁸mAg et ²⁰⁴TI pour le système (TI₂S)ₓ(Ag₂S)₅₀₋ₓ(GeS)₂₅(GeS₂)₂₅. Les résultats ont permis d'expliquer l'effet de cation mixte. Afin de mieux comprendre les phénomènes de transport des systèmes étudiés, diverses études structurales ont été déployées par spectroscopie Raman, diffusion de neutrons et diffraction de rayons X haute énergie. Enfin, la dernière partie de ce travail est entièrement consacrée à la caractérisation de nouveaux capteurs chimiques pour la détection des ions TI⁺ et NA⁺ en solution. Dans le premier cas, les électrodes sélectives aux ions TI⁺ avec les différentes compositions de membrane ont été testées afin de définir la sensibilité, la limite de détection, les coefficients de sélectivité en présence d'ions interférents, la reproductabilité, l'influence de pH. En plus, il était effectué l'échange des traceurs ²⁰⁴TI entre la solution et les verres à base des matrices GeS₂ et Ge₂S₃ pour comprendre et expliquer les différences significatives dans la sensibilité et la limite de détection présentés par les capteurs dont les membranes ont la composition de verre similaire. Dans le deuxième cas, les études montrent l'existence de la sensibilité aux ions NA⁺ donc le développement des capteurs pour le dosage des ions de sodium est possible
The aim of this thesis was to study the physicochemical properties of the chalcogenide glasses for possibility to use them as the chemical sensor membranes for the quantitative analysis of TI⁺ and NA⁺ ions. Firstly, the measurements of the macroscopic properties such as the densities and the characteristic temperatures (Tg, Tc, Tf) and their analysis according to the glass compositions were carried out. After that, the transport properties were studied through complex impedance conductivity measurements and from dc conductivity measurements. These experiments have shown the mixed cation effect in three chalcogenide glassy systems with TI/Ag ions and the percolation regime in the NaCl-Ga₂S₃-GeS₂ system. Then the silver ¹⁰⁸mAg and thallium ²⁰⁴TI tracer diffusion measurements were carried out for (TI₂S)ₓ(Ag₂S)₅₀₋ₓ(GeS)₂₅(GeS₂)₂₅ system. The result permit to explain the mixed cation effect. In order to better understand the transport phenomena of the studied systems, the various structural studies have been deployed using Raman spectroscopy, neutron diffraction and high energy X-ray diffraction. Finally, the last part of this work is entirely devoted to the characterization of new chemical sensors for detection of TI⁺ and NA⁺ ions in solution. In the first case, the sensors with different membrane compositions were tested for defining the sensitivity, the detection limit, the selectivity coefficients in the presence of interfering ions, the reproductibility, the pH influence. In addition, the ionic exchange with radioactive isotopes ²⁰⁴TI between the solution and the GeS₂ or Ge₂S₃ based glasses was performed for understanding and explaining the significant differences in the sensitivity and the detection limit presented by the sensors whose membranes have the similar glass compositions. In the second case, the studies shows the existence of sensitivity for NA⁺ ions so the development of sensors for the determination of sodium ions is possible

Les verres du système binaire Ag₂S-As₂S₃ sont connus pour être de très bons conducteurs ioniques et l'ajout de HgI₂ permet d'envisager une application des verres du pseudo-ternaire HgI₂-Ag₂S-As₂S₃ en tant que membrane ionique spécifique dédiée au dosage du mercure en solution aqueuse. Les limites de son domaine vitreux ont été vérifiées à l'aide de la diffraction des rayons X. Les évolutions des propriétés macroscopiques des verres, incluant les densités et les températures caractéristiques (Tg, Tc et Tf) ont été analysées de façon systématique. Les propriétés de conduction des verres HgI₂-Ag₂S-As₂S₃ ont été évaluées à l'aide de la spectroscopie d'impédance complexe et de la diffusion du traceur radioactif 108mAg. Un des résultats les plus marquants dans ces verres conducteurs ioniques est l'augmentation de la conductivité lorsque Ag₂S est substitué par HgI₂. Afin de comprendre les mécanismes de conduction mis en jeu, des études structurales ont été menées par spectroscopie Raman, diffusion de neutrons et diffraction des rayons X haute énergie. Pour appréhender la structure de ces verres complexes, des études préalables sur les deux systèmes pseudo-binaires Ag₂S-As₂S₃ et HgI₂-As₂S₃ ont aussi été menées. Les différentes techniques utilisées ont notamment permis de montrer que des réactions d'échanges se produisaient lors de la synthèse. Enfin, la dernière partie de cette thèse est entièrement consacrée à la caractérisation de nouveaux capteurs chimiques pour la détection des ions Hg²+ en solution. Différentes compositions sont testées afin de définir la sensibilité, la limite de détection et les coefficients de sélectivité en présence d'ions interférents.

L'etude porte sur la variation de la conductivite electrique des systemes borotellurates et borophosphates suivants : lio::(2)-b::(2)o::(3)-te::(2)o::(4) et li::(2)o-b::(2)o::(3)-p::(2)o::(6)-lix (x=f, cl, br). L'effet de formateur mixte pour le premier systeme et l'effet de sel dopant dans le second systeme ont ete interpretes a l'aide de la theorie de l'electrolyte faible et d'un modele de solutions regulieres

L'objectif de ce travail a consisté à identifier des polluants émergents dans des eaux usées issues de stations d'épuration ainsi que dans le milieu naturel et à proposer une méthode de remédiation et un suivi de ces polluants. Dans un premier temps, nous avons identifié les polluants organiques contenus dans les échantillons d'eaux usées et issues du milieu naturel par chromatographie en phase liquide ou gazeuse couplée à une spectrométrie de masse, chromatographie en phase gazeuse par espace de tête statique et par spectrométrie par torche à plasma couplée à une spectrométrie de masse. Différents polluants ont été trouvés tels que les phtalates, des substances médicamenteuses, le cholestérol et des éléments de traces métalliques. Dans le but de piéger ces polluants, différents polymères de cyclodextrine (CD) solubles et insolubles dans l'eau ont été synthétisés et leurs capacités d'adsorption ont été évaluées. Après adsorption sur les polymères de CD, nous avons observé une diminution de la teneur en carbone organique total (COT) de l'effluent. Ces polymères se sont révélés être des adsorbants efficaces. Dans un second temps, des verres du système pseudo-ternaire Agl-HgS-As₂S₃ ont été synthétisés en ajoutant le composé le composé Agl dans le système pseudo-binaire HgS-As₂S₃. Ces verres de chalcogénures sont des membranes ionosélectives permettant de détecter les ions Hg²⁺ dans les effluents. Tout d'abord, nous avons défini le domaine vitreux des verres à l'aide de la diffraction des rayons X, ensuite les propriétés macroscopiques des verres ont été déterminées. Ainsi, les propriétés de transport ont été étudiées à l'aide de la spectroscopie d'impédance complexe montrant que l'ajout d'Agl dans le verre pseudo-binaire HgS-As₂S₃ provoque une augmentation de la conductivité ionique. Afin de comprendre ce phénomène, diverses études structurales ont été déployées par spectroscopie Raman, diffraction de neutrons et de rayon X haute énergie. Ces techniques ont montré que l'évolution de la conductivité ionique est dépendante de la structure du verre qui forme des chemins préférentiels de conduction. Enfin, différents capteurs avec différentes compositions sont testés afin de définir la sensibilité, la limite de détection et les coefficients de sélectivité en présence d'ions interférents
The aim of this work was to identify the emerging pollutants in the effluents of wastewater treatment plants as well as in the natural environment, and to propose a method of remediation and monitoring of these pollutants. In the first part of the thesis, we have identified the organic pollutants contained in the wastewater samples using (i) gas and/or liquid chromatography coupled with a mass spectrometry, (ii) static-headspace gas chromatography, and (iii) inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy. Different pollutants were found such as phthalates, drugs, cholesterol, and heavy metal traces. In order to trap these pollutants, various water soluble/insoluble cyclodextrin β-CD polymers have been synthesized and their adsorption capacities were evaluated. After the analysis of the effluent samples, we observed a decrease of the Total Organic Carbon (TOC). This decrease was attributed to the adsorption of pollutant by CD polymers which have proven to be effective adsorbents. The second part of the thesis included two main sub-parts : (i) a synthesis and characterization part and (ii) an application part. In the first sub-part, chalcogenide glasses in the pseudo-ternary Agl-HgS-As₂S₃ system have been synthesized by adding silver iodide "Agl" to the quasi-binary HgS-As₂S₃ system. The vitreous domain and the macroscopic properties of glass samples were determined. Electrical conductivity of glasses was studied using both the complex impedance spectroscopy and resistivity measurements ; it was found that adding Agl to the quasi-binary HgS-As₂S₃ alloy causes an increase in the ionic conductivity. Structural studies, using various techniques as Raman spectroscopy, neutron scattering and high-energy X-ray diffraction, have been performed in order to decipher the relation between both structural and transport properties in these glasses. In the second sub-part, the obtained glasses in the ternary system were used as membranes in chemical sensors dedicated to mercury detection in aqueous solution. As a result, various sensors with different compositions were tested to determine their corresponding sensitivity, detection limit and selectivity coefficients in the presence of interfering ions

Developing efficient, fast performing and thermally stable AgI-Ag2O-MoO3glasses are of great interest for Resistive Random Access Memory (RRAM) applications; however there many challenges such as metallization in bulk, behavior of Vth profile over composition and corrosion reactions. In this thesis work, fast ion conducting (FIC) AgI-Ag2O-MoO3 glasses have been investigated with an idea to solve some technical challenges such as thermal stability, corrosion etc. with the help of deep understanding of the material. Employing various experimental and characterization techniques, this research work aims to identify the links between various material and technical aspects and how to tune these aspects to solve the challenges envisaged. Bulk AgI-Ag2O-MoO3 (50:25:25) glasses have been prepared by melt quenching method (Microwave heating and quenched between two heavy steel plates). The electrical switching experiments have been carried out using a Keithley Source Meter (model 2410) controlled by Lab VIEW 6i, on samples of thicknesses (d) 0.1, 0.2 and 0.3 mm at different ON state currents (Imax) (3 mA, 2 mA, 1 mA, 0.6 mA, 0.4 mA and 0.25 mA); It has been found that these samples exhibit fast near ideal memory switching. The power dissipation (P) increases with both d and Imax. It is also found that the threshold voltage (Vth) increases with d; and for a given thickness, the Vth decreases with increasing Imax. A sample of d = 0.1 mm exhibits near ideal memory switching with the least P for Imax = 0.25 mA. These samples can be used for fast switching applications with minimum power dissipation. Further, the electrical switching behavior of bulk, FIC (AgI)50+x-(Ag2O)25-(MoO3)25-x, for 10 ≤ x ≤ -10 glasses has been investigated, in order to understand the switching mechanism of bulk samples with the inert electrodes. It is found that by using inert electrodes, the switching becomes irreversible, memory type. In these samples, the switching mechanism is an electrochemical metallization process. The inert electrodes restrain ionic mass transfer; however exhibit a low barrier to electron transfer allowing the cathodic metallization reaction to reach Nernst equilibrium faster. The cations involved in this process transport thorough the free volume within the glass structure and follows Mott-Gurney (MG) model for electric field driven thermally activated ion hopping conductivity. This model along with the thermal stability profile provide a narrow region within composition with better switching performance based on swiftness to reach Vth and less power loss. It is found that traces of anionic contribution to metallization are absent. Moreover, anodic oxidation involves reactions that cause bubble formation and corrosion which becomes evident from SEM (Scanning electron Microscope) micrographs of the switched and un-switched parts of the sample. Rigidity percolation phenomena in (AgI)50+x-(Ag2O)25-(MoO3)25-x, for 5 ≤ x ≤ -12.5 has been observed by performing calorimetry (ADSC) and photoelectron spectroscopy experiments (XPS). The temperature dependence of heat capacity (normalized Cp) at glass transition temperature (Tg), exhibits fluctuations for samples with higher AgI concentration indicating the fragile nature of the glass. The composition range chosen in the present study, accommodates both the fragile and strong glasses, and the fragility threshold. Cp (absolute) values, at Tg, exhibits abrupt sign shift at this threshold. The negative Cp is identified as a thermodynamic behavior of nanoclusters. The XPS study shows the formation of covalent structural units, [‒Mo‒O‒Ag‒O‒] and complex molybdenum oxides in the positive Cp region. Finally, the non-reversing enthalpy profile, exhibits square well minima, sandwiched between floppy and stress rigid region, which has been identified to be the intermediate phase, within the range 32.25 ≤ MoO3 concentration ≤ 35. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and Raman studies have been performed on this glass, over a wide range of composition ((AgI)50+x-(Ag2O)25-(MoO3)25-x, for 3.75 ≤ x ≤ -10.5) to understand the features of structure, ion migration and their correlation. These features essentially involve diffusion and relaxation. The coefficients associated with diffusion process, especially, the diffusion coefficient, diffusion length and relaxation time has been determined by applying Nguyen-Breitkopf method. Besides, by tuning the concentration of the constituents, it is possible to obtain samples which exhibit two important structural characteristics, namely fragility and polymeric phase formation. The present study essentially addresses these issues and endeavors to figure out the corroboration among them. The relaxation behavior, when scrutinized in the light of Diffusion Controlled Relaxation (DCR) model, ascertains the fragility threshold which is also identified as the margin between the two types of polymeric phases. Simultaneously, it fathoms into the equivalent circuitry, its elements and their behavioral changes with above mentioned features. The power law behavior of A.C. conductivity exhibits three different non-Jonscher type dispersive regimes along with a high frequency plateau. The sub-linearity and super-linearity remain significantly below and above the Jonscher’s carrier transport limit, 0.5 ≤ n ≤ 0.9. Finally, by observing the behavior of the crossover between these sun-linear and super-linear (SLPL) regime, an intuitive suggestion has been proposed for the appearance of SLPL: oxygen vacancy formation.

碩士
國立中興大學
物理學系所
100
Abstract This paper is the use of complex nonlinear least squares to fit the glass containing lithium ion AC impedance data and equivalent circuit. Included in the equivalent circuit between the electrode and the electrode glass effect glass with lithium ion conduction in the impedance effect.The former contains the effects of lithium ion and lithium ion accumulation capacitance of the diffusion effect. For the latter we have a recession by non-exponential function, a DC resistance value, the characteristic relaxation time, the coupling parameter. By the above fitting parameters with temperature, the samples were obtained various types of activation energy Eσ, Eτ, and Ea, to see the glass in a variety of lithium ion (in borate-based) motion mechanism.