Powder X-ray diffraction (PXRD) and neutron powder diffraction (NPD) have been used to investigate the crystal structure of CoFe₂O₄ nanoparticles prepared via different hydrothermal synthesis routes, with particular attention given to accurately determining the spinel inversion degrees. The study is divided into four parts. In the first part, the investigations focus on the influence of using different diffraction pattern combinations (NPD, Cu-source PXRD and Co-source PXRD) for the structural modelling. It is found that combining PXRD data from a Co source with NPD data offers a robust structural model. The second part of the study evaluates the reproducibility of the employed multipattern Rietveld refinement procedure using different data sets collected on the same sample, as well as on equivalently prepared samples. The refinement procedure gives reproducible results and reveals that the synthesis method is likewise reproducible since only minor differences are noted between the samples. The third part focuses on the structural consequences of (i) the employed heating rate (achieved using three different hydrothermal reactor types) and (ii) changing the cobalt salt in the precursors [aqueous salt solutions of Co(CH₃COOH)₂, Co(NO₃)₂ and CoCl₂] in the synthesis. It is found that increasing the heating rate causes a change in the crystal structure (unit cell and crystallite sizes) while the Co/Fe occupancy and magnetic parameters remain similar in all cases. Also, changing the type of cobalt salt does not alter the final crystal/magnetic structure of the CoFe₂O₄ nanoparticles. The last part of this study is a consideration of the chemicals and parameters used in the synthesis of the different samples. All the presented samples exhibit a similar crystal and magnetic structure, with only minor deviations. It is also evident that the refinement method used played a key role in the description of the sample.

L'objectif de ces travaux de thèse était de synthétiser des nanomatériaux hautement diffusant à faible absorption neutronique, constitués uniquement de carbone et de fluor, ceci afin de combler le gap de réflectivité des neutrons lents dans la plage de vitesse des neutrons 90-600 m/s (se situant entre le meilleur supermiroir et le graphite). Les matériaux retenus étaient des nanodiamants de diamètre calibré (5 nm) et des graphites fluorés. Parmi les graphites fluorés, la phase (C2F)n, possède la distance interfeuillet la plus élevée (9 Å) permettant une réflectivité jusqu'à 220 m/s. Malgré la difficulté d'obtention de cette phase (C2F)n, de par son domaine de température de fluoration restreint (350-400 °C), la tendance à la surfluoration et le risque d'exfoliation, nous sommes parvenus à synthétiser des poudres de graphites fluorés à haute teneur en (C2F)n dont la teneur maximale obtenue est de 96 % de (C2F)n, avec une distance interplannaire d'environ 9 Å. Les mesures de réflectivité des neutrons sur ces échantillons ont révélé qu'un graphite fluoré riche en (C2F)n peut être utilisé comme un réflecteur efficace pour les neutrons lents. Des feuilles de graphites ont également été fluorées afin de palier l'impossibilité de densifier les poudres de graphite fluoré, critère essentiel pour la création de réflecteurs de neutrons. Des taux élevés en (C2F)n ont été obtenus, soit ~75 % et aucune exfoliation n'a été constatée. Toutes ces caractéristiques font que les feuilles de graphite fluoré se révèlent très prometteuses en tant que réflecteurs de neutrons lents. Les nanodiamants de détonation choisis pour ce travail, car disponibles en quantité industrielle, contiennent en surface une couche de carbone sp2 et des groupements hydrogénés et oxygénés absorbeurs de neutrons, ainsi que des impuretés métalliques activables sous flux neutronique. Il est montré dans ces travaux de thèse que l'utilisation de dichlore permet d'éliminer efficacement les impuretés métalliques des nanodiamants de détonation, et que la combinaison avec du fluor moléculaire convertie les groupements hydrogénés et oxygénés à la surface de ces nanoparticules en liaisons C-F apportant un caractère hydrophobe empêchant tout adsorption de molécules d'eau. Une méthode de concentration des impuretés métalliques a été développée au cours de ces travaux de thèse, ce qui a permis de lever le verrou que représente la limite des détections des appareils de caractérisation utilisés. Il s'est également avéré que le suivi de la température de combustion des nanodiamants de détonation constituait un bon indicateur de la pureté de ces derniers. Par ailleurs, la combinaison des traitements de chloration et de fluoration a permis d'augmenter de 200 °C la stabilité thermique de ces composés.

The use of neutron reflectors is an effective method for improving the quality of neutron sources and neutron delivery systems. In this work, we further develop the method based on Bragg scattering of neutrons in crystals with large interplanar distances. We compare samples of differently prepared fluorine intercalated graphites by measuring the total cross section for the interaction of neutrons with the samples, depending on the neutron wavelength. The Brag scattering cross section is the dominant part of the total cross section in all the cases. The results show that all samples provide high reflection efficiency over the entire range of the so-called “neutron reflectivity gap” and beyond it, and also allow choosing the optimal intercalation methods.

The use of neutron reflectors is an effective method for improving the quality of neutron sources and neutron delivery systems. In this work, we further develop the method based on the Bragg scattering of neutrons in crystals with large interplanar distances. We compare samples of differently prepared fluorine intercalated graphites by measuring the total cross section for the interaction of neutrons with the samples, depending on the neutron wavelength. The Brag scattering cross section is expected to be the dominant part of the total cross section in all the cases. The results show that all samples provide high reflection efficiency over the entire range of the so-called “neutron reflectivity gap” and beyond it, and that they also allow for the choosing of the optimal intercalation methods.