Les matériaux polymères sont largement utilisés en tant qu'isolants dans les domaines du génie électrique, de l'électronique de puissance et de la microélectronique. Ces diélectriques sont principalement en contact avec d'autres composants: avec des semi-conducteurs et des métaux dans les câbles haute tension, avec des substrats et d'autres diélectriques dans les systèmes multicouches. Ces interfaces sont omniprésentes, et contribuent à l'injection et l'accumulation de charges d'espace dans les diélectriques solides. D'autre part, au cours de leur vie, ils sont soumis à de nombreuses contraintes, de température, de champ... Ces contraintes peuvent conduire à la dégradation prématurée et à la rupture diélectrique du matériau par une distorsion du champ électrique, et conduire au dysfonctionnement du système. Des études antérieures, expérimentales et de simulations, ont montré l'importance des interfaces sur la génération de charges à l'intérieur du diélectrique, mais les approches théoriques comme la loi d'injection Schottky ne fournissent pas une description adéquate pour des courants expérimentaux. Cependant les recherches récentes montrent que les états de surface qui se forment à l'interface métal/isolant jouent un rôle important sur le comportement des diélectriques. L'injection de charges est principalement affectée par la nature du contact et des états de surface. L'enjeu de ce travail est de comprendre les phénomènes en jeu à une interface métal/isolant, afin de les modéliser correctement. Ce travail est basé sur une approche duale modélisation et expérience. L'isolant retenu est ici est le polyéthylène basse densité (LDPE). Dans un premier temps, nous avons caractérisé expérimentalement des interfaces métal/isolant. Dans un seconde temps, nous avons développé un modèle numérique capable de prendre en compte les états de surface. L'approche est originale, puisque l'étude porte sur l'injection et le transport de charges en tenant compte d'une distribution exponentielle des états d'énergie à l'interface.

Nous avons étudié l'influence de certains paramètres sur la conductance électrique du dioxyde d'étain polycristallin, propriété utilisée pour la détection des gaz. Une première partie est consacrée a l'étude de l'influence du traitement thermique sur les caractéristiques morphologiques du matériau (taille des grains, porosité...) Et sur ses performances électriques en présence de gaz varies (air, méthane, dioxyde de carbone...). Les résultats obtenus montrent l'influence des conditions de préparation du matériau sur ses performances électriques (sélectivité, stabilité...) Et toute l'importance du contrôle de ces traitements préalables (mise en forme, traitement thermique...). Une seconde partie est consacrée à la compréhension des mécanismes physico-chimiques a l'origine des performances électriques. Les résultats expérimentaux obtenus (chromatographie, thermogravimétrie, calorimétrie, conductance électrique), couples a une modélisation cinétique mathématique des phénomènes nous permettent d'envisager certaines hypothèses préférentiellement a d'autres au sujet des mécanismes qui provoquent les variations de conductance électrique.

Cette thèse a pour objectif principal d'établir un diagnostic du fonctionnement hydrologique du bassin béninois du fleuve Niger dans le contexte de la péjoration pluviométrique qui a sévèrement touché l'Afrique depuis la décennie 1970. Pour atteindre cet objectif, cette étude s'est appuyée sur trois grands types de données : météorologiques (pluie, température, humidité relative, évapotranspiration potentielle, évapotranspiration réelle), hydrologiques (écoulement, recharge) et des états de surface (superficie des types d'occupation du sol, NDVI). Elle s'est ordonnée autour de trois grands axes Le premier, consacré à l'étude de la variabilité hydro-climatique sur la période 1955-1992, montre que les déficits pluviométriques des décennies 1970 et 1980 ont été largement amplifiés dans les écoulements de toutes les rivières (Mékrou, Alibori, Sota) du bassin béninois du fleuve Niger. Les déficits d'écoulement représentent cinq ou six fois celui de la pluie (Mékrou, Alibori). Ce même déficit pluviométrique est particulièrement amplifié dans la recharge du sous bassin de la Sota à Coubéri : le déficit de la recharge entre les deux sous périodes 1955-1972 et 1973-1992 représente près de cinq fois celui de la pluie. L'étude a aussi montré le comportement différentiel des grès et du socle : Sur le socle (Mékrou, Alibori), l'écoulement est fortement lié à la pluie, comme le montre la valeur élevée du coefficient de corrélation ; en revanche, sur les grès (sous bassin de la Sota à Coubéri), il est lié à la pluie et à la recharge. Le deuxième axe montre l'efficacité des modèles GR4J et GR2M à simuler les écoulements moyens des sous bassins du Niger au Bénin donnée. Ainsi, par l'analyse du critère de Nash appliqué aux écoulements moyens donne des valeurs satisfaisantes (supérieures à 60 % pour la plupart). On peut donc dire que les modèles GR4J et GR2M présentent une certaine efficacité à simuler les écoulements aux pas de temps journalier et mensuel. Toutefois, les Nash sur les écoulements moyens journaliers avec le modèle GR4J sont largement améliorés au pas de temps mensuel avec le GR2M. Dans les sous bassins de la Mékrou, de l'Alibori et de la Sota à Coubéri, les modèles ont identifié une tendance nette à la baisse du cycle hydrologique. On ne doit toutefois pas négliger les limites des résultats obtenus puisque les tests statistiques utilisés n'ont pas pu identifier une tendance avec les modèles dans le sous bassin de la Sota à Gbassè. Le troisième axe, consacré à l'étude d'impact de la dynamique des états de surface sur les écoulements, montre que les types d'occupation du sol ont connu de grands changements entre 1979 et 1992, avec une régression sensible des formations végétales naturelles (forêts et savanes arborées) et une progression marquée des formations anthropiques (mosaïques de cultures et de jachères) pour la même période. Il montre aussi que la recherche de corrélations NDVI/écoulement et résidus NDVI/résidus écoulement indépendamment de la pluie, souligne une relation significative dans les sous bassins de la Mékrou et de la Sota à Gbassè. Les résultats établissent ainsi une relation entre l'activité photosynthétique et l'écoulement, indépendamment de la pluie dans ces sous bassins. Cependant, dans les sous bassins de l'Alibori et de la Sota à Coubéri, on a pas pu mettre en évidence de lien significatif entre l'activité photosynthétique des types d'occupation du sol et l'écoulement. Toutefois, nos résultats sont limités par les données de NDVI qui ne reflètent que l'activité photosynthétique du couvert végétal. Par ailleurs, la longueur de la série des ces données est insuffisante pour tester efficacement l'influence de la dynamique des états de surface sur l'écoulement

La matière condensée moderne porte un intérêt particulier pour la classe de matériaux formée par les isolants topologiques. Ils sont différents des isolants typiques par leurs intéressantes propriétés quantiques; ils se comportent comme des isolants dans leur intérieur, mais contiennent des états conducteurs sur leur surface. On peut mieux comprendre le comportement de certains systèmes en matière condensée, tel que les chaînes de polyacétylène, en étudiant un système unidimensionnel simple : le modèle de Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Le modèle SSH décrit des fermions sans spin sautant sur un réseau unidimensionnel où les amplitudes de saut alternent d’un site à l’autre. Ce modèle, bien que simpliste, expose les propriétés clés des isolants topologiques tel que les états délocalisés dans tout le réseau ainsi que les états exponentiellement localisés aux frontières du réseau. Dans ce projet, nous étudions le modèle SSH, mais en ajoutant un défaut central dans le réseau qu’on appelle un soliton. Dans notre cas, le soliton consiste en un site central donc les amplitudes de saut sont les mêmes d’un côté et de l’autre. Nous trouvons un ensemble de solutions complet incluant des états de basse énergie localisés aux frontières ainsi que des états de haute énergie localisés au soliton. / Topological insulators are a class of materials that have attracted much attention in modern condensed matter. They are different from typical insulators as they exhibit interesting quantum properties; they behave as insulators in their interior but have conducting states on their surface. We can better understand the properties of low dimensional condensed matter systems (like poly-acetylene chains) by studying a toy model known as the Su-Schrieffer-Heeger (SSH) Model. The SSH model describes spinless fermions hopping on a one-dimensional lattice with staggered hopping amplitudes. Such a toy model exhibits key properties of topological insulators, such as bulk states (delocalized states across the lattice) and edge states (exponentially localized states at the boundaries of the lattice). In this project, we study the SSH model with an added central defect to the chain, which we call a soliton. In our case, the soliton consists of a central site with the same hopping amplitude on either side. We study the impact of such a defect on the properties of the system; we find a complete set of solutions including near-zero-energy edge states as well as high-energy states localized at the soliton.

Suite aux changements climatiques, de nouveaux paysages reflétant les interactions entre les processus naturels et les activités humaines inappropriées sont apparus en Tunisie Méridionale. L’érosion éolienne en est l’une des manifestations les plus remarquables. Au cours de cette thèse, une méthodologie opérationnelle et validée (méthode du transect permanent) a été mise au point pour la caractérisation des états de surfaces éolisés et la quantification du bilan sédimentaire d’un transect d’environ 500m de longueur sur une période de deux ans. A l’échelle spatiale, la cartographie des Unités Eoliennes : zones de départ, transit et dépôt de sable a été élaborée. Un essai de caractérisation radiométrique des zones de dépôt ensablées a été ensuite tenté pour l’analyse diachronique des changements survenus durant plus de 35 ans. A l’échelle stationnelle, la méthode du transect permanent permet le calcul diachronique des bilans sédimentaires et la comparaison simultanée des changements des Complexes d’Etat de Surface. La seule observation des états de surface éolisés est insuffisante pour déterminer le fonctionnement éolien précis d’une région, elle induit à des erreurs d’interprétation sur les processus sédimentaires en cours.A l’échelle spatiale, les cartes des Unités Eoliennes permettent de déterminer la vulnérabilité du milieu face aux processus de déflation, transport et dépôt. De plus, la caractérisation des zones ensablées par des indices radiométriques n’est pas évidente avec des images de 30 m de résolution. Les analyses statistiques effectuées ont montré que l’indice de couleur est le plus indiqué pour ce genre d’étude. Le calcul des taux de changement entre deux images de dates successives permet d’estimer l’évolution temporelle des espaces ensablés et la distribution spatiale des zones nouvellement ensablées sur plus de 35 ans. / Under the effect of climate change, new landscapes reflecting the interactions between natural processes and human inappropriate activities appeared in Southern Tunisia. Wind erosion is one of the most important events. In this thesis, operational and validated methodology (the permanent transect method) has been developed for the characterization of Surfaces States and quantification of the sediment balance of a 500 m length transect over a period of two years. On spatial scale, mapping of the Aeolian units of deflation, transit and sand deposit was developed. Radiometric characterization of sand accumulations was then tried for the detection of changes that occurred within more than 35 years.At the site level, the permanent transect method enabeled the diachronic sedimentary balance calculation and the comparison of the Surface states changes. The single observation of these areas is insufficient to determine the real eolian process of a region ; moreover it induces to errors of interpretation on the sedimentary process.At the spatial scale, maps of the Aeolian units enabeled to determine the vulnerability of the environment to the process of deflation, transport and deposition. In addition, the characterization of sand accumulations by radiometric indices is not obvious within 30 m resolution images. The statistical analyses have shown that Color Index is the most indicated for this type of study. The calculation of the rates of change between two successive dates images allows to estimate the sandy spaces evolution and their spatial distribution for more than 35 years.

Dans cette thèse je me suis intéressé au caractère relativiste de matériaux topologiques tridimensionnels : les semi-métaux de Weyl et les isolants topologiques. Après une introduction aux états de surfaces et aux matériaux topologiques, je discute leurs propriétés de covariance sous les rotations trigonométriques et hyperboliques. Ces transformations me permettent de traiter les équations du mouvement d'un électron dans un champ magnétique ou à la surface, sous l'influence d'un champ électrique ou d'une inclinaison de la relation de dispersion. En première partie, je l'illustre dans le cas de la réponse magnéto-optique des semi-métaux de Weyl, en présence d'une inclinaison. Ces calculs sont en lien avec ma collaboration avec les expérimentateurs du LNCMI à Grenoble pour la caractérisation de la structure de bande de Cd₃As₂ où l'on montre que ce matériau est un semi-métal de Kane et non un semi-métal de Dirac dans la gamme de potentiels chimiques expérimentalement accessible. L'autre partie de cette thèse porte sur les états de surface des isolants topologiques où l'on montre qu'il existe des états de surface massifs au-delà de l'état de surface chiral. Ces états semblent avoir été observés par des études en ARPES d'échantillons de Bi₂Se₃ et Bi₂Te₃ oxydés et par des mesures de transport sur HgTe déformé. J'ai ainsi eu l'occasion de travailler avec les expérimentateurs du LPA à Paris sur le comportement des états de surface de HgTe sous forts effets de champ. Je termine par une discussion des états à l'interface entre un semi-métal de Weyl et un isolant dans le cas où le gap de ce dernier est suffisamment petit pour observer l'effet d'un champ magnétique et d'une inclinaison de la relation de dispersion sur les états de surface. / During my PhD studies I focused on the relativistic properties of threedimensional topological materials, namely Weyl semimetals and topological insulators. After introducing surface states and topological materials I discuss their covariance in trigonometric and hyperbolic rotations. These transformations help to solve the equations of motion of an electron in a magnetic field or at the surface with an applied electric field or with a tilt in the band dispersion. In a first place, I illustrate these transformations for the magneto-optical response of tilted Weyl semimetals. This work is related to my collaboration with experimentalists at LNCMI, Grenoble for characterizing the band structure of Cd₃As₂ where we show that this material is a Kane semi-metal instead of a Dirac semi-metal in the experimentally accessible range of chemical doping. The other part of this thesis is concerned with the surface states of topological insulators. I show that massive surface states can also exist in addition to the chiral surface state due to band inversion. Such states may have already been observed in ARPES measurement of oxidized Bi₂Se₃ and Bi₂Te₃ and in transport measurement of strained bulk HgTe. I show the work we performed with experimentalists at LPA, Paris on the behavior of HgTe surface states for strong field effects. Finally, I discuss the states at the interface of a Weyl semimetal and a small gap insulator. In this situation, an applied magnetic field or the tilt of the band dispersion can strongly affect the observed surface states.

Nous proposons, par voie théorique, une sonde ayant la capacité de détecter et de caractériser les états de surface d'une chaîne Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Cette sonde consiste d’un qubit interagissant avec un environnement, et exploite le phénomène de la décohérence afin de retirer de l’information sur l’environnement. Une approximation de faible couplage permet de démontrer analytiquement que le taux de décohérence du qubit est proportionnel à la densité d’états locale de l’environnement. Dans le cas d’un environnement possédant des états discrets, une mesure de la densité d’états locale peut être équivalente à une mesure de l’amplitude d’un état, permettant donc une caractérisation spatiale des états de l’environnement. Un système tripartite consistant d'un qubit couplé à une chaîne SSH discrète muni de canaux conducteurs aux extrémités est étudié afin de valider l’utilité de la sonde pour inférer et caractériser les états de surface. L’espace des paramètres de la sonde est discuté en détail. En étudiant l’impact du couplage des canaux conducteurs, nous notons l’émergence d’états de type-surface sur des sites interdits ainsi que dans des phases topologiques ne supportant pas d’états de surface dans le modèle SSH isolé. Ces excitations, que nous appelons états fantômes, apparaissent dû à un décalage des frontières de la chaîne SSH. / We propose a novel probe with the ability to detect topological edge states in lowdimensional materials. This probe, consisting of a qubit interacting with a system of interest, utilizes the dynamics of decoherence to study the qubit’s environment. We show analytically that, under a weak-coupling approximation, the decoherence rate of the qubit is proportional to the local density of states of the environment. In studying environments featuring finite subsystems with discrete states, the local density of states mapped by the qubit probe can extract state amplitude profiles, resulting in a full spatial characterization of states. We explicitly study a tripartite system consisting of a qubit coupled to a finite SSH chain with conducting leads attached to each end and demonstrate the probe’s ability to infer the presence of, and characterize, edge states. The parameter space of the probe is studied. Notably, we show the lead coupling strength effectively shifts the SSH chain boundaries resulting in emergent edge-type states, dubbed ghost states, with support on sites which are forbidden in an isolated SSH chain for a given topological phase.

Nous considérons une chaîne de Su-Schrieffer-Heeger (SSH) à laquelle nous attachons une chaîne semi-infinie non dimérisée aux deux extrémités. Nous étudions l’effet d’un tel couplage sur les propriétés du modèle de SSH. En particulier, la représentation d’un tel système infini sous forme de système effectif fini nous permet d’examiner ses états de surface topologiques. Nous montrons que, comme ce à quoi on s’attendrait, les états de surface initiaux évoluent à mesure que le couplage entre les systèmes augmente. Alors que ce couplage augmente, deux phénomènes sont observés: d’un côté, ces états de surface disparaissent progressivement, et de l’autre côté, de nouveaux états de surface émergent. Ces nouveaux états, que nous appelons états fantômes, sont aussi des états de basse énergie. Une particularité surprenante de ceux-ci est qu’ils sont localisés sur une nouvelle interface: celle-ci est passée du premier (et dernier) site au deuxième (et avant-dernier) site, ce qui suggère que la topologie du système est fortement influencée par les chaînes semi-infinies. La topologie du système tripartite peut être classifiée selon trois régimes. Pour le régime de faible couplage, le système est dans une phase topologique bien définie; pour de grands couplages, il est dans sa phase opposée; pour le régime intermédiaire, sa nature topologique n’est pas encore bien comprise. / We consider a Su-Schrieffer-Heeger (SSH) chain to which we attach a semi-infinite undimerized chain (lead) to both ends. We study the effect of the openness of the SSH model on its properties. In particular, an accurate representation of the infinite system using an effective Hamiltonian allows us to examine its topological edge states. We show that, as one would expect, the initial edge states evolve as the coupling between the systems is increased. As this coupling grows, these states slowly vanish, while a new type of edge states emerge. These new states, which we refer to as ghost states, are also low-energy states. A surprising property of these states is that they are localized on a new interface: the interface has moved from the first (and last) site to the second (and second to last) site. This suggests that the topology of the system is strongly affected by the leads, with three regimes of behaviour. For very small coupling the system is in a well-defined topological phase; for very large coupling it is in the opposite phase; in the intermediate region, its topological nature is yet to be understood.

Cette thèse présente une étude des propriétés électroniques de systèmes de basse dimension à base de métaux et de semiconducteurs. La première partie de l'étude traite le confinement de l'état de Shockley dans des nanostructures tridimensionnelles d'Ag(111), par des mesures STM/STS à très basse température (5 K). Nous avons d'abord analysé en détail la structure en énergie et la distribution spatiale des modes confinés. Nous avons ensuite mis à profit la nature discrète du spectre en énergie pour étudier le temps de vie des quasiparticules. Un comportement typique de liquide de Fermi est mis en évidence, et nous montrons que le mécanisme de diffusion dominant est associé au couplage électron-phonon. La contribution extrinsèque provenant du confinement partiel de l'onde électronique a également été obtenue. Une loi d'échelle est observée avec la taille des nanostructures, ce qui permet d'extraire un coefficient de réflexion plus important que dans de simples ilôts monoatomiques. La seconde partie de l'étude est consacrée aux couches ultra-minces semiconductrices obtenues par dépôts d'alcalins (K, Rb, Cs) sur la surface Si(111):B-[racine]3. Ce travail résout la controverse concernant la nature de l'état fondamental de ce système, et notamment l'origine de la reconstruction 2[racine]3 obtenue à la saturation du taux de couverture. La compréhension en amont de la structure cristallographique permet d'élucider les propriétés électroniques. Nous montrons qu'une approche à un électron, conduisant à un isolant de bandes, décrit le système de manière convaincante, malgré l'indication de forts effets polaroniques. Ce résultat est le fruit d'une étude approfondie combinant des techniques diverses et complémentaires (LEED, ARPES, XPS, STM/STS et calcul DFT) / This thesis is devoted to the electronic properties of low-dimensional systems based on metal and semiconducting materials. The first part deals with the Shockley state confinement in Ag(111) nanostructures, by means of very-low temperature (5 K) STM/STS measurements. We study the electronic structure and spatial distribution of the confined modes. Then the discrete nature of the electronic spectrum allows one to yield the quasiparticule lifetime. A Fermi-liquid behaviour is evidenced and we show that the dominant decay mechanism is attributed to the electron-phonon coupling. The extrinsic contribution arising from the partial confinement of the electronic wave is obtained as well. A scaling law with the nanostructure width is demonstrated, from which we deduce a higher reflection amplitude than in monoatomic islands. In the second part of the thesis, we study semiconducting ultra-thin films produced by alkali (K, Rb, Cs) deposition on the Si(111):B-[root of]3 surface. This work solves the controversy concerning the ground state of this system, and especially the nature of the 2[root of]3 surface recontruction obtained at saturation coverage. Prior understanding of the crystallographic structure allows to elucidate the electronic properties. We show that a one-electron picture, leading to a band insulator scenario, gives a good description of the system, in spite of strong polaronic effects. This conclusion results from an in-depth, combined study of complementary techniques (LEED, ARPES, XPS, STM/STS and DFT calculations).

Cette thèse est consacrée à l'étude de la physico-chimie des structures électroniques et microélectroniques à base de phosphure d'indium (InP). Le contexte scientifique de cette étude est d'abord abordé dans une description de la pollution atmosphérique ainsi que de sa métrologie. Les propriétés physico-chimiques et électroniques de InP sont particulièrement détaillées. Les structures des capteurs de gaz en cours de développement pour cette application sont ensuite répertoriées. Les méthodes de caractérisation chimique (spectroscopie de surface XPS et Auger, microscopie à force atomique AFM) et électronique (Van der Pauw) ainsi que l'analyse théorique des propriétés électroniques des couches minces sont également présentées. Enfin, des mesures en laboratoire à température et concentration variables de NO2 proches de celles rencontrées dans une atmosphère urbaine sont présentées. Les résultats obtenus suite à l'analyse théorique et aux différentes expériences ont montré le rôle prédominant des oxydes natifs présents à la surface de InP sur les réponses des capteurs. Ces derniers interviennent également sur la stabilité de la réponse aux gaz, tout comme leurs propriétés physico-chimiques. Les résultats des caractérisations électroniques et chimiques corroborent les résultats des essais des capteurs et permettent une modélisation de l'action du gaz sur InP