Cette thèse est consacrée au calcul de sections efficaces de réactions impliquant le système à trois corps (e − , e + , p̄) à des énergies représentatives de l’expérience GBAR. Deux approches théoriques ont été utilisées. La première, appelée méthode des canaux couplés, permet de traiter le système dans un cadre théorique plus simple. La deuxième, basée sur le formalisme rigoureux des équations de Faddeev-Merkuriev, a permis le calcul explicite des sections efficaces. Une des difficultés majeures provient de la dégénérescence accidentelle du premier état excité des atomes d’antihydrogène et de positronium. Le traitement de cette dégénérescence a été réalisé dans un premier temps dans le formalisme de canaux couplés avant d’être adapté au code des équations de Faddeev-Merkuriev. Dans ce document, nous discutons les sections efficaces dans le contexte de l’expérience GBAR et interprétons les phénomènes résonnants mis en évidence, les résonances de Feshbach et les oscillations de Gailitis-Damburg. / This thesis is dedicated to cross section calculations involving the three body system (e − , e + , p̄) at representative energies for the GBAR experiment. Two different theoretical formalisms have been used. The first one, the close coupling method, allows to study the system in a more simple and schematic theoretical frame. The second, based on the mathematically rigorous formalism of the Faddeev-Merkuriev equations, is used to compute the explicit cross sections. One of the major difficulties comes from the accidental degeneracy of the antihydrogen and positronium atoms first excited states. The treatment of this degeneracy has been realised, in a first time, with the close-coupling formalism before being adapted to the Faddeev-Merquriev equations code. In this document, we discuss the cross sections in the GBAR experiment frame and we construe the highlighted resonant phenomena, the Feshbach resonances and the Gailitis-Damburg oscillations.

Les alliages ferromagnétiques à mémoire de forme (FSMAs: Ferromagnetic shape memory alloys) avec des compositions proches de Ni2MnGa ont attiré beaucoup d’attention en raison de leur effet de mémoire de forme gigantesque et de leur réponse rapide et dynamique. Dans ce travail, une investigation de ces matériaux via des calculs ab initio est effectuée en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) à l’aide du logiciel VASP. Pour la composition stoechiométrique de Ni2MnGa, alliage ferromagnétique à mémoire de forme, l'oscillation du moment magnétique de Ni qui dépend du réarrangement atomique dans la superstructure, domine la distribution du moment magnétique total par unité Ni2MnGa. Le changement de moment magnétique total unité Ni2MnGa associé à la structure a été déterminé comme augmentant de l'austénite cubique à la martensite NM tétragonale à travers les martensites modulées monocliniques. Pour les alliages Ni2MnGa ferromagnétiques à mémoire de forme hors-stoechiométrie, le dopage au Ni stabilise la martensite non modulée (NM) avec la structure cristalline tétragonale simple, tandis que le dopage approprié au Mn stabilise la martensite modulée à sept couches (7M) avec une structure monoclinique. Expériences de La transformation martensitique subit une force motrice nettement plus considérable que celle de la transformation intermartensitique. En outre, le moment magnétique total des trois séries d'alliages est principalement dominé par leur teneur en Mn avec une faible dépendance de l'état de phase. Les moments moyens du Ni et du Mn montrent une dépendance à la fois de la composition et de l’ d'état de phase. La perturbation des moments magnétiques par substitution d'atomes est principalement localisée dans les antisites et ses proches voisins. Elle est principalement dominée par leur environnement en Mn (distance et nombre). L’examen des aspects fondamentaux tels que la stabilité de phase et des propriétés magnétiques des ferromagnétiques à mémoire de forme Ni-Mn-Ga est d'une grande importance pour améliorer les performances fonctionnelles et de concevoir de nouveaux FSMAs prometteurs. / Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloys (FSMAs) with chemical composition close to Ni2MnGa have received great attention due to their giant magnetic shape memory effect and fast dynamic response. In this work, a series of first–principles calculations have been performed within the framework of the Density Functional Theory (DFT) using the Vienna Ab initio Software Package (VASP). For the stoichiometric Ni2MnGa ferromagnetic shape memory alloy, the oscillation of Ni magnetic moment that depends on the atomic shuffling in the superstructure dominates the distribution of the total magnetic moment per Ni2MnGa unit. The structure change-associated total magnetic moment has been found to increase for Ni2MnGa unit from the cubic austenite to the tetragonal NM martensite through the monoclinic modulated martensites. For the off-stoichiometric Ni2MnGa ferromagnetic shape memory alloys, Ni-doping stabilizes the non-modulated martensite (NM) with simple tetragonal crystal structure, whereas proper Mn-doping stabilizes the seven-layered modulated (7M) martensite with monoclinic structure. Martensitic transformation experiences much larger driving force than that of the intermartensitic transformation. Moreover, the total magnetic moment of the three series of alloys is mainly dominated by their Mn content with little phase state dependence. The average Ni and Mn moments display both composition and phase state dependences. The perturbation of the magnetic moments by atom substitution is mainly located in the antisite and its close neighbors. It is mainly dominated by their Mn environment (distance and number). Insights into fundamental aspects such as phase stability and magnetic properties in Ni-Mn-Ga FSMAs are of great significance to improve the functional performances and to design new promising FSMAs

Une étude théorique ab initio des structures électroniques des molécules Diatomiques polaires BN, SiN et LaH dans la représentation 2s+1Λ(+/-)Ont été effectués par la méthode du champ auto-cohérent de l'espace Actif complet (CASSCF), suivie par l'interaction de la configuration multiréférence (MRSDCI). La correction de Davidson, notée (MRSDCI+ Q), a ensuite été appliquée pour rendre compte de clusters ou agrégats quadruples non liés. L'ensemble de l'espace de configuration de CASSCF a été utilisé comme référence dans le calcul MRCI, qui a été effectués en utilisant le programme de calcul de chimie physique MOLPRO et en tirant parti de l'interface graphique Gabedit. Quarante-deux de plus bas états électroniques dans la représentation 2s+1Λ(+/-)au-dessous de 95000 cm-1 ont été étudiés de la molécule BN. Alors que vingt-huit états électroniques dans les représentations 2s+1Λ(+/-) jusqu'à 70000 cm-1 de la molécule de SiN ont été étudiés. D'autre part, les vingt-quatre bas états électroniques de LaH dans les représentations 2s+1Λ(+/-) au-dessous de 70000 cm-1 ont été étudiées par deux méthodes différentes et en prenant en considération l'effet des spin-orbite de la molécule LaH et nous avons observé la division énergétique des huit états électroniques. Les courbes d'énergie potentielle ont été construites avec la fréquence co-harmonique ωe, la distance internucléaire de l'équilibre re, les constantes de rotation Be. L'énergie électronique par rapport à l'état fondamentale Te a été calculé pour les états électroniques considérés comme des BN, SiN et la molécule LaH respectivement. En utilisant l'approche des fonctions canoniques, les valeurs propres Ev, les constantes rotationnelles Bv, la constante de distorsion centrifuge Dv et les abscisses des points de retournement Rmin and Rmax ont été calculés pour les états électroniques au niveau de vibration v=51 pour LaH molécule. Dix-huit et neuf états électroniques ont été étudiées pour la molécule BN et SiN respectivement. Pour LaH, vingt-trois états électroniques de la molécule LaH et l'effet de spin-orbite de molécule LaH sont donnés ici pour la première fois. La comparaison avec les données expérimentales et théoriques pour la plupart des constantes calculées démontre une très bonne précision. Enfin, ces résultats devraient ainsi mener à des études expérimentales plus poussées pour ces molécules. Nos résultats ont été publiés dans le Canadian Journal of Chemistry, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, nous avons deux autres articles en préparation à soumettre. / In the present work a theoretical investigation of the lowest molecular states of BN, SiN and LaH molecule, in the representation 2s+1Λ(+/-), has been performed via complete active space self-consistent field method (CASSCF) followed by multireference single and double configuration interaction method (MRSDCI). The Davidson correction noted as (MRSDCI+Q) was then invoked in order to account for unlinked quadruple clusters. The entire CASSCF configuration space was used as a reference in the MRCI calculation which has been performed via the computational chemistry program MOLPRO and by taking advantage of the graphical user interface Gabedit. Forty-two singlet, triplet, and quintet lowest electronic states in the 2s+1Λ(+/-) representation below 95000 cm-1 have been investigated of the molecule BN. While twenty-eight electronic states in the representation2s+1Λ(+/-)up to 70000 cm-1 of the SiN molecule have been investigated.On the other hand the Twenty four low-lying electronic states of LaH in the representation 2s+1Λ(+/-) below 35000 cm-1 have been studied by two different methods and by taking into consideration the spin orbit effect of the molecule LaH we give in the energy splitting of the eight electronic states. The potential energy curves (PECs) together with the harmonic frequency ωe, the equilibrium internuclear distance re, the rotational constants Be and the electronic energy with respect to the ground state Te have been calculated for the considered electronic states of BN, SiN and LaH molecule respectively. Using the canonical functions approach, the eigenvalues Ev, the rotational constants Bv ,the centrifugal distortion constants Dv and the abscissas of the turning points Rmin and Rmax have been calculated for electronic states up to the vibrational level v =51 for LaH molecule.Eighteen and Nine electronic states have been investigated here for the first time for the molecules of BN and SiN respectively, while for LaH, news results are performed for twenty three electronic states of LaH molecule and the spin-orbit effect of LaH molecule is given here for the first time. A comparison with experimental and theoretical data for most of the calculated constants demonstrated a very good accuracy. Finally, we expect that the results of our work should invoke further experimental investigations for these molecules. Our results have been published in Canadian journal of chemistry, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer and we have two other papers in preparation to submit.

Cette thèse est consacrée à l'étude ab initio des structures électroniques des molécules diatomiques polaires YN, YS, ZrN, et ZrS. Cette étude est motivé par le manque d’informations dans la littérature sur la structure électronique de ces molécules, alors qu’elles ont clairement été identifiées dans le spectre de certaines étoiles. Des calculs théoriques sont ainsi nécessaire puisqu’ils peuvent fournir d'importantes informations quant aux propriétés des états électroniques fondamentaux et excités qui ne sont pas accessibles expérimentalement. Dans ce travail les calculs ab initio ont été effectués par la méthode du champ auto-cohérent de l'espace actif complet (CASSCF), suivie par l'interaction de configuration multiréférence (MRSDCI). La correction de Davidson, notée (MRSDCI+ Q), a ensuite été appliquée pour rendre compte de clusters ou agrégats quadruples non liés. Les calculs ont été effectués selon deux schémas. Dans le premier les effets spin-orbite ont été négligés alors que dans le second les effets spin orbite ont été inclus par la méthode des potentiels de noyau efficaces. Tous les calculs ont été effectués en utilisant le programme de calcul de chimie physique MOLPRO et en tirant parti de l’interface graphique Gabedit. Les courbes d'énergie potentielle ont été construites et des constantes spectroscopiques calculées, ainsi que les moments dipolaires électriques permanent, les champs électriques moléculaires intenses et les structures énergétiques de vibration-rotation. Nous avons détecté dans la molécule ZrS plusieurs niveaux vibrationnels dégénérés ceux-ci peuvent être utilisés pour rechercher les variantes possibles de la constante de structure fine α etdu rapport de masse μ de l’electron par rapport au proton dans trois étoiles de type S, du nomde Rand, les RCas, et χCyg. La comparaison des données expérimentales et théoriques pour la plupart des constantes calculées a montré une bonne précision pour nos prédictions avec une différence relative (en pourcentage) qui varie entre 0,1% et 10%. Ces résultats devraient ainsi mener à des études expérimentales plus poussées pour ces molécules. / This dissertation is dedicated to the ab initio study of the electronic structures of the polardiatomic molecules YN, YS, ZrN, and ZrS. The identification of these molecules in the spectraof stars as well as the lack in literature on the electronic structures of these molecules motivatedthe present study. Theoretical calculations are useful in this respect since they can provideimportant data for the properties of the ground and excited electronic states that are not availablefrom experimental means. In the present work the ab initio calculations were performed at thecomplete active space self-consistent field method (CASSCF) followed by multireference singleand double configuration interaction method (MRSDCI). The Davidson correction noted as(MRSDCI+Q) was then invoked in order to account for unlinked quadruple clusters. Thecalculations were performed on two stages in the first spin orbit effects were neglected while inthe second type of calculations spin orbit effects were included by the method of effective corepotentials. All of the calculations were done by using the computational physical chemistryprogram MOLPRO and by taking advantage of the graphical user interface Gabedit. In thepresent work potential energy curves were constructed and spectroscopic constants computed,along with permanent electric dipole moments, internal molecular electric fields, and vibrationalrotationalenergy structures. We detected in the ZrS molecule several degenerate vibrationalenergy levels which can be used to search for possible variations of the fine structure constant αand the electron to proton mass ratio μ in three S-type stars, named Rand, RCas, and χCyg. Acomparison with experimental and theoretical data for most of the calculated constantsdemonstrated a good accuracy for our predictions giving a percentage relative difference thatranged between 0.1% and 10%. Finally, we expect that the results of the present work shouldinvoke further experimental investigations for these molecules.

Le paraxylène (pX), utilisé dans la fabrication de l'acide téréphtalique pour la production de nylon, est principalement produit par isomérisation de la coupe aromatique C8. Cette dernière est principalement composée des trois isomères du xylènes (para, ortho et méta) et de l'éthylbenzène (EB). L’EB est transformé en xylènes grâce à un catalyseur bifonctionnel comprenant à la fois une fonction acide comme la zéolithe EU-1 et une fonction hydro-déshydrogénante (HD/DHD) comme le platine. L’hydrogénation de l’EB conduit également à la production d’éthylcyclohexane, qui peut subir des réactions non désirées d’ouverture de cycle et de craquage sur la fonction acide du catalyseur. Au cours de ce travail, nous avons cherché à comprendre les facteurs influant sur la sélectivité du catalyseur bifonctionnel en hydroconversion de l’éthylcyclohexane (ECH), et à identifier des phases acides zéolithiques très sélectives. L’effet de paramètres tels que le ratio et la proximité entre sites acides et sites HD/DHD, la localisation des sites acides au sein du réseau zéolithique, et la topologie de ce réseau zéolithique, a été examiné. Des études catalytiques ont été mises en œuvre sur des séries de catalyseurs bifonctionnels à base de zéolithe EU-1, et interprétées à la lueur de calculs ab initio focalisés sur les mécanismes d’isomérisation et d’ouverture de cycle de l’ECH sur la phase acide EU-1. L’intégration de données thermocinétiques déterminées ab initio dans un modèle cinétique en champ moyen a permis de valider l’approche et d’identifier les étapes réactionnelles clés dictant la sélectivité. Un criblage rationnel de structures zéolithes a ensuite été proposé pour identifier les paramètres topologiques influant / The paraxylene (pX), used in the manufacture of terephtalic acid for the production of nylon, is mainly produced by isomerization of the C8 aromatic cut. The latter is mainly composed of the three xylene isomers (para, ortho and meta) and ethylbenzene (EB). EB is converted into xylenes by mean of a bifunctional catalyst comprising both an acid function, such as EU-1 zeolite, and a hydro-dehydrogenating function (HD / DHD), such as platinum. The hydrogenation of EB also leads to the production of ethylcyclohexane, which can undergo undesired ring-opening and cracking reactions on the acid function of the catalyst. In this work, we tried to understand the factors influencing the selectivity of the bifunctional catalyst in the hydroconversion of ethylcyclohexane (ECH), and to identify very selective zeolitic acid phases. The effect of parameters such as the ratio and proximity between acid and HD / DHD sites, the location of acid sites within the zeolite network, and the topology of this zeolite network, was evaluated. Catalytic studies have been carried out over bifunctional catalysts series based on the EU-1 zeolite, and interpreted considering ab initio calculations focused on the isomerization and ring-opening mechanisms of ECH on the EU-1 acid phase. The integration of thermokinetic data (determined by ab initio calculations) in a mean field kinetic model made it possible to validate the approach and to identify the key reaction steps dictating the selectivity. A rational screening of zeolite structures was then proposed to identify the influential topological parameters

Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement de deux méthodes de modélisation des enzymes contenant des groupes prosthétiques de la famille des flavines.La première méthode, PredFace, permet de prédire la stéréochimie des produits d'une réaction catalysée par des enzymes contenant des groupes prosthétiques, en identifiant la face libre d'interaction avec les substrats. Le protocole mis en place pour cette méthode implique l'utilisation de huit complexes "sondes", obtenus par des opérations de symétrie à partir de l'état de transition de la réaction de transfert d'un atome d'hydrogène entre le nicotinamide et la lumiflavine. Ces complexes sont positionnés dans le site actif avec le groupe prosthétique comme référence et dans chaque cas l'énergie d'interaction protéine-ligand est évaluée par la fonction de score implémentée dans le logiciel de docking utilisé (AutoDock). L'énergie d'interaction la plus favorable permet d'identifier la face du groupe prosthétique accessible pour la réaction enzymatique dans le site actif. La méthode PredFace a été validée par l'analyse de l'ensemble des structures de la Protein Data Bank contenant des groupes prosthétiques de la famille des flavines (2170). Le protocole mis au point est très rapide (moins d'une minute), ce qui nous a permis de développer un site web afin de mettre cette méthode à la disposition de la communauté.La seconde méthode, ProsthDock, est une nouvelle méthode de docking basée sur le mécanisme d'une réaction enzymatique catalysée par un groupe prosthétique et guidée par la présence de ce groupe prosthétique dans le site actif de l'enzyme. Le développement de cette méthode a été motivé par le fait que les méthodes actuelles de docking, en présence de groupes prosthétiques, se révèlent incapables de produire des poses correctes pour des substrats, en accord avec les réactions enzymatiques. Afin de remédier à ce problème nous avons ajouté à la fonction de score classique un terme supplémentaire, qui rendra compte de l'interaction du ligand avec le groupe prosthétique. Dans un premier temps, nous avons construit un modèle simplifié du complexe NADH/FMN et calculé l'état de transition de la réaction de transfert d'hydrogène entre les deux partenaires. Des surfaces d'énergie potentielle pour cette réaction ont été calculées en variant la distance, l'angle et l'angle dièdre entre les deux réactifs. Un docking sous contrainte est ensuite réalisé et en fonction du positionnement de chaque pose de docking dans le site actif le terme supplémentaire de la fonction de score est calculé à partir des surfaces d'énergie potentielle, ce qui nous permet de modifier le classement des résultats de docking en favorisant les poses qui sont en accord avec la réaction enzymatique. / During this PhD thesis we developped two new molecular modeling methods applied to enzymes containing flavin-type prosthetic groups.The first method, PredFace, predicts the stereochemistry of products from a reaction catalyzed by enzymes containing prosthetic groups, by automatically identifying the solvent-exposed face of the prosthetic group. The protocol involves the use of eigth complexes as "probes", obtained by symmetry operations starting from the transition state of a hydrogen atom transfer reaction between nicotinamide and lumiflavin. These complexes are positioned in the binding site with the prosthetic group as reference and the energy of the protein-ligand interaction is evaluated by the scoring function implemented in the docking software (AutoDock). The most favorable interaction energy allows the identification of the prosthetic group face that is available for the enzymatic reaction in the binding site. The PredFace method has been validated by analyzing all the structures in the Protein Data Bank containing flavin-derived prosthetic groups (2170). This method is very fast (less than a minute), which allowed us to develop a web site open to the scientific community.The second method, ProsthDock, is a new mechanism-based molecular docking method guided by prosthetic groups present in the active sites of enzymes. The development of this method was motivated by the incapacity of the currently available docking methods to provide, in the presence of prosthetic groups, ligand conformations that are compatible with the enzymatic reactions. In this regard, we have added a new term to the classical scoring function, to take into account the interaction between ligand and prosthetic group. We have built a simplified model of the NADH/FMN complex and calculated the transition state of the hydrogen transfer reaction between the two partners. Potential energy surfaces have been calculated for this reaction by variating the angle, diedral angle and distance between the two reaction partners. A subsequent docking with constraints provides binding site conformations of the ligand for which the new term of the scoring function is calculated using the potential energy surfaces. This results in a new ranking of the docking poses, favoring those in agreement with the enzymatic reaction.

This work describes theoretical studies on molecular and electronic structures of lanthanide-based single-molecule magnets focusing on their magnetic properties. In this work, two main problems are covered: the structural ordering of endohedral fullerenes in different supramolecular arrangements, and the magnetic anisotropy of lanthanides in different charge coordinations. The basic methodes used in this work are density functional theory and multiconfigurational self-consistent field.:CHAPTER 1. THEORETICAL FOUNDATIONS OF RARE-EARTH MAGNETISM 12 1.1. Single-molecule magnetism and 4f-elements 14 1.1.1. Electronic structure of 4f-elements 16 1.1.2. LS-coupling scheme 19 1.1.3. Parameterization of the Crystal-Field splitting effect. 20 1.1.4. Zeeman splitting for a free ion 24 1.1.5. Spin Hamiltonian and pseudospin approximation 24 1.1.6. Kramers theorem 25 1.1.7. Weak and strong molecular interactions. 26 1.2. Computational methods in application to Ln-based SMMs 27 1.2.1. Density functional theory (DFT). 28 1.2.2. Multiconfigurational methods in quantum chemistry 33 1.3. Role of molecular structure in single-molecular magnetism 41 1.3.1. Complexes of SMMs with organic molecules 45 1.3.2. SMMs deposited on surfaces 46 CHAPTER 2. STRUCTURAL ORDERING IN COCRYSTALS OF EMFs AND Ni(OEP) 49 2.1. Ordering in endohedral metallofullerenes 49 2.2. Modeling details 51 2.3. Conformer analysis 54 2.4. Electrostatic potential 58 CHAPTER 3. ISOMERISM OF Dy2ScN@C80 DEPOSITED ON SURFACES 61 3.1. Modeling details 62 3.2. Cluster conformation analysis 69 3.3. Charge density analysis 75 CHAPTER 4. Ho|MgO AS A SINGLE-ATOMIC MAGNET. FV-MAGNETISM. 80 4.1. DFT description of Ln|MgO 85 4.2. Ho|MgO system: ab initio calculations 92 4.3. Magnetic properties of lanthanides with FV magnetism 99 4.4. Generalized ligand field and spin Hamiltonians for FV systems. 101 CHAPTER 5. FV-MAGNETISM IN [Ln2+] METALLOCENE COMPLEXES 107 5.1. TbII(CpiPr5)2 DFT-model 108 5.2. FV-interaction in terms of ab initio multiconfigurational approach 113 5.3. Point-charge model 115

Les dispositifs spintroniques exploitent le degré de liberté du spin électronique pour traiter l'information. Dans cette thèse, nous étudions les propriétés de transport quantique dépendant du spin pour optimiser les performances des composants associés. Par l’approche ab initio, nous calculons la magnétorésistance à effet tunnel (tunneling magnetoresistance, TMR), l’effet Hall de spin (spin Hall effect, SHE) et l’efficacité de l’injection de spin (spin injection efficiency, SIE). Nous montrons ainsi que les métaux lourds (heavy metals, HM) influencent la TMR dans des jonctions tunnel magnétiques (magnetic tunnel junctions, MTJs) à base de MgO. L’utilisation de W, Mo, ou Ir peut améliorer la TMR. De plus, le dopage par substitution aide à optimiser le SHE dans les HMs, ce qui renforce les angles de Hall de spin (SHA) pour rendre plus efficace le renversement d’aimantation par couple spin-orbite (spin-orbit torque, SOT) dans les MTJ. Afin de contourner les problèmes induits par le désaccord de maille entre couches ferromagnétiques et MgO, nous avons conçu une MTJ basée sur l'hétérojonction VSe₂/MoS₂ de van der Waals (vdW) et calculons la TMR à température ambiante. L’apparition d’effets de résonance tunnel permet d’utiliser la tension appliquée pour moduler la TMR dans cette structure. Nous proposons également d’y favoriser le SOT en utilisant des matériaux 2D avec un fort SHE. MoTe₂ et WTe₂ apparaissent comme de bons candidats. Ces dichalcogénures de métaux de transition (transition metal dichalcogenides, TMDC) présentent un fort SHE ainsi que de grands SHA grâce à leur faible conductivité électrique. Enfin, motivés par la demande d'un dispositif commutable bidimensionnel à grande longueur de diffusion spin, nous étudions un système d'injection de spin dans le silicène et obtenons des SIE élevés sous tension appliquée. L’ensemble de ces travaux apportent un éclairage pour la recherche de nouveaux dispositifs spintroniques. / Spintronics devices manipulate the electron spin degree of freedom to process information. In this thesis, we investigate spin-dependent quantum transport properties to optimize the performances of spintronics devices. Through ab initio approach, we research the tunneling magnetoresistance (TMR), spin Hall effect (SHE), as well as spin injection efficiency (SIE). It has been demonstrated that heavy metals (HMs) are able to modulate TMR effects in MgO-based magnetic tunnel junctions (MTJs), and tungsten, molybdenum, and iridium are promising to enhance TMR. Moreover, substitutional atom doping can effectively optimize SHE of HMs, which would strengthen spin Hall angles (SHAs) to achieve efficient spin-orbit torque (SOT) switching of MTJs. To eliminate the mismatch between ferromagnetic and barrier layers in MgO-based MTJs, we design the MTJ with bond-free van der Waals (vdW) heterojunction VSe₂/MoS₂ and report the room-temperature TMR. The occurrence of quantum-well resonances enables voltage control to be an effective method to modulate TMR ratios in vdW MTJ. We put forward the idea of SOT vdW MTJ, which employs SOT to switch vdW MTJ and requires vdW materials with strong SHE. Research on MoTe₂ and WTe₂ verifies the possibility of realizing this idea. Both of them are layered transition metal dichalcogenides (TMDC) and exhibit strong SHEs, as well as large SHAs thanks to their low electrical conductivity. Lastly, motivated by the demand of a two-dimensional (2D) switchable device with long spin diffusion length, we construct the spin injection system with silicene monolayer, and reveal high SIEs under electric fields. Works in this thesis would advance the research of spintronics devices.

Les dispositifs thermoélectriques, basés sur la conversion d'énergie thermique, offrent des perspectives intéressantes pour le développement de systèmes autonomes. Les principaux défis pour le développement de telles technologies reposent sur l'obtention de dispositifs flexibles, écologiquement et économiquement viables pouvant alimenter des appareils électroniques à faible consommation d'énergie. Le but de cette thèse a donc été de proposer une méthodologie pour l'analyse globale de dispositifs thermoélectriques pour des applications à température ambiante. Dans un premier temps, une approche multi-échelle pour la modélisation de dispositifs thermoélectriques a été développée. A cet effet, trois niveaux d'abstraction ont été considérés. A l'échelle du système, un modèle compact a été développé afin d'évaluer les performances du dispositif dans son environnement. A l'échelle du dispositif, des prototypes virtuels de TEG ont été évalués par le biais de la simulation numérique. A l'échelle des matériaux, la DFT combinée à une approche semi-classique basée sur l'équation de transport de Boltzmann ont été utilisées afin de calculer les propriétés électroniques. La tétraédrite et la famatinite ont été sélectionnées en raison de leurs propriétés prometteuses à température ambiante ainsi que de leur abondance et faible coût. Dans un second temps, des travaux expérimentaux sur la synthèse de nanoparticules de Cu-Sb-S ont été menés. Des nanoparticules quasi-monodisperses avec des tailles inférieures à 50 nm ont été obtenues grâce à la mise au point d'un procédé basé sur la synthèse solvothermale avec surfactant, une méthode faible coût et facilement adaptable à grande échelle. / Thermoelectric devices, capitalizing on waste heat conversion, offer good prospects for the development of autonomous systems. The main challenges for technology development are to obtain flexible, environmentally friendly and low-cost thermoelectric devices with performances sufficient enough to power small electronic devices. The aim of this thesis was thus to propose a methodology for the global analysis of thermoelectric devices for ambient temperature applications. The developed methodology enables the evaluation of key parameters impact on the global system. First, a multiscale approach for thermoelectric devices modelling is developed. In this scope, three parallel levels of modeling are addressed. At the system level, a compact model is developed in order to evaluate overall system efficiency as a function of the thermal environment. At the device level, virtual prototypes of printed devices are built and their performances are evaluated via a finite-element simulation tool. Low temperature gradient has to be dealt with by appropriate architecture design. At the material level, quantum DFT is used in conjunction with semi-classical approach using Boltzmann transport theory to calculate electronic properties. Tetrahedrite and famatinite compounds are chosen due to their promising thermoelectric properties at room temperature and their relative abundance and low cost. Secondly, an experimental work has been conducted on the synthesis of sulphide nanoparticles. Quasi-monodisperse nanoparticles with a size not exceeding 50 nm have successfully been fabricated via a low cost and easily scalable surfactant assisted solvothermal technique.

(U,Pu)O2 (aussi appelé MOX) est actuellement utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP) avec une teneur massique en Pu d’environ 10 %. Il est également envisagé comme combustible de référence pour les réacteurs à neutrons rapides à caloporteur sodium, avec une teneur massique en Pu d’environ 25 %. En conditions opérationnelles, (U,Pu)O2 est soumis à des réactions de fission qui génèrent une grande quantité de défauts et de produits de fission. Par migration, ces défauts et produits de fission gazeux peuvent s'agréger en nano-cavités, dislocations et bulles de gaz, conduisant à une modification de la microstructure. Une meilleure description du comportement du combustible à l’échelle atomique, notamment des mécanismes élémentaires impliqués dans la diffusion des défauts et des produits de fission, est donc nécessaire pour affiner les modèles utilisés dans les codes de performance des combustibles. Pour l’étude des propriétés de (U,Pu)O2, nous avons effectué des calculs de structure électronique basés sur la méthode DFT+U combinée au contrôle des matrices d’occupation des orbitales corrélées. Des minimisations d’énergie ainsi que la dynamique moléculaire ab initio ont été utilisées. Nous avons étudié dans un premier temps les propriétés du cristal de (U,Pu)O2 pour différentes teneurs en Pu. Nous avons ensuite étudié la stabilité des défauts ponctuels ainsi que les modifications structurales et électroniques induites par ces défauts ponctuels dans (U,Pu)O2 et (U,Ce)O2, matériau utilisé comme simulant de (U,Pu)O2. Enfin, nous avons étudié le piégeage et la solubilité des gaz de fission (Kr, Xe) et de l’hélium dans la matrice de (U,Pu)O2 / (U,Pu)O2 (commonly called MOX) is currently used as nuclear fuel in pressurized water reactors with a Pu content of around 10 wt.%, and is envisaged as the reference fuel in Generation IV sodium fast reactors (SFR) with a Pu content of around 25 wt.%. Under operation, (U,Pu)O2 is submitted to fission reactions which generate a large quantity and variety of point defects, as well as fission products. By migrating, point defects and gaseous fission products can aggregate into nano-voids, dislocations and fission gas bubbles, which lead to the modification of the fuel microstructure. Therefore, a better description of the fuel behaviour at the atomic scale, and especially of the elementary mechanisms involved in the diffusion of point defects and fission products, is necessary to refine the models used in the fuel performance codes used to simulate the behaviour of fuels at the macroscopic scale. We use electronic structure calculations based on the DFT+U method combined with the occupation matrix control scheme (OMC) to investigate (U,Pu)O2 properties for various Pu contents. Static energy minimizations and ab initio molecular dynamics were used. We have first determined bulk structural, electronic and thermodynamics properties of (U,Pu)O2. We then studied the stability of point defects in (U,Pu)O2 and (U,Ce)O2, as well as the structural and electronic modifications induced by these point defects, in (U,Pu)O2 and the common experimental surrogate (U,Ce)O2. Finally, the fission gas (Kr and Xe) and helium (He) trapping and solubility in (U,Pu)O2 matrix are investigated