L'objet de ce travail était étudier l'influence des collisions électron-électron sur la dynamique électronique et ionique d'un agrégat de sodium lors d'une excitation laser femtoseconde. Dans ce but, nous avons utilisé une approche semi-classique qui substitue à la fonction d'onde à N corps quantique représentant les électrons de valence de l'agrégat, une fonction de distribution dans l'espace des phases. L'avantage formel d'une représentation semi-classique est qu'elle permet d'inclure facilement, via les équations cinétiques, le terme de collision d'Ühling-Uhlenbeck (UU), pour aller au-delà du champ moyen. L'évolution en temps de la fonction de distribution est ainsi régie par l'équation de Vlasov-Ühling-Uhlenbeck (VUU), qui est résolue numériquement, à l'aide de la méthode des particules test.

Il est bien connu que les propriétés optiques des nanoparticules de métaux nobles, en particulier d'or et d'argent, s'écartent fortement de celles de métaux macroscopiques. Pour les tailles comprises entre dix et quelques centaines de nanomètres, elles sont dominées par les plasmons de surface (SP) décrites par des modèles purement classiques. En revanche, les agrégats de quelques dizaines d’atomes se comportent comme des systèmes quantiques, ce qui induit des comportements optiques nouveaux. La structure des nanoparticules et l'environnement diélectrique peuvent affecter les propriétés optiques. Dans cette thèse, j'ai utilisé un microscope électronique à transmission à balayage (STEM) équipé d'un spectromètre à perte d'énergie des électrons (EELS) pour mesurer, en parallèle, les propriétés optiques et structurales de nanoparticules individuelles. Je présente comment des expériences complémentaires (STEM-EELS et absorption optique) sur de petites nanoparticules d'argent triées en taille et encapsulées dans une matrice de silice donnent au premier abord des résultats incohérents: tandis que, d’une part, l'absorption optique ne montre aucun effet de taille entre quelques atomes et environ 10 nm, un décalage en énergie est observé dans les mesures STEM-EELS. Notre interprétation quantitative, fondée sur un modèle mixte classique/quantique qui prend en compte tous les effets quantiques pertinents, a résolu les apparentes contradictions non seulement dans nos données expérimentales, mais également dans celles de la littérature. Notre modèle décrit comment l'environnement local est le paramètre crucial contrôlant la manifestation ou l'absence d'effets de taille quantique. En second lieu, je me suis intéressé à la région purement classique à travers des structureslithographiées de quelques centaines de nanomètres. Bien que les cavités plasmoniques triangulaires aient été largement étudiées dans la littérature, une classification en termes de modes de respiration et de bords plasmoniques manquait. Dans cette étude, les résultats expérimentaux de STEM-EELS, des modèles analytiques et des simulations classiques nous ont permis de décrire la nature des différents modes. / It is well known that the optical properties of nanoparticles of noble metals, in particular gold and silver, deviate strongly from those of macroscopic metals. For sizes between ten and a few hundred nanometers, they are dominated by surface plasmons (SPs) described by purely classical models. On the other hand, clusters of a few tens of atoms behave like quantum systems inducing new optical behaviors. The structure of the nanoparticles and the dielectric environment can affect the optical properties. In this thesis I used a scanning transmission electron microscope (STEM) fitted with an electron energy loss spectrometer (EELS) to measure, in parallel, the optical and structural properties of individual nanoparticles. I present how complementary experiments (STEM-EELS and optical absorption) on sizeselected small silver nanoparticles embedded in silica yield at first inconsistent results: while optical absorption shows no size-effect in the range between only a few atoms and ~10 nm, a clear spectral shift is observed in STEM-EELS technique. Our quantitative interpretation, based on a mixed classical/quantum model which takes into account all the relevant quantum effects, resolves the apparent contradictions, not only within our experimental data, but also in the literature. Our comprehensive model describes how the local environment is the crucial parameter controlling the manifestation or absence of quantum size effects. Secondly, I was interested in the purely classical region through lithographed structures of a few hundred nanometers. Although triangular plasmonic cavities have been widely studied in the literature, a classification in terms of plasmonic modes of breathing and edge was missing. In this study, experimental STEM-EELS results, analytical models and classical simulations enabled us to describe the nature of the different modes.

L'objet de ce travail est l'analyse complète de la fragmentation d'agrégats d'alcalins (Na_n^+ (n < 10), NaK^+ et K_2^+) consécutive à une collision avec une cible légère atomique (He) ou moléculaire (H_2). Il s'agit d'étudier les mécanismes d'excitation et de désexcitation, c'est-à-dire de déterminer comment l'énergie est transmise à l'agrégat au cours de la collision et de quelle manière cette énergie se répartie sur les différents degrés de liberté du système pour conduire à sa fragmentation. Deux types d'interaction gouvernent les processus de dissociation induite par collision : les mécanismes électroniques pour lesquels la molécule est portée dans un état dissociatif par perturbation de son nuage électronique et les mécanismes impulsionnels où la quantité de mouvement transférée aux atomes provoque la dissociation rovibrationnelle de la molécule. La méthode expérimentale utilisée repose sur la mesure des vecteurs vitesse des fragments issus de la collision et détectés en coïncidence. Elle permet de remonter à la cinématique complète de la fragmentation et ainsi de séparer et caractériser pour la première fois sans ambiguïté les deux types d'interaction. Les deux mécanismes de base de dissociation induite par collision ont pu être clairement mis en évidence dans le cas du dimère Na_2^+. L'étude de la molécule hétéronucléaire NaK^+ a révélé la combinaison des mécanismes électronique et impulsionnel pour certaines voies de dissociation. Cette méthode expérimentale appliquée à l'étude de la fragmentation des agrégats métalliques Na_n^+ (n < 10) a montré le rôle et l'importance relative de ces mécanismes ainsi que leur évolution avec la taille du système. L'analyse complète de la multi-fragmentation du système simple Na_3^+ est également présentée.

Nous avons étudié par spectroscopie pompe-sonde résolue en temps la réponse optique ultrarapide d'agrégats de très petite taille (< 2 nm), pour lesquelles une transition d'un comportement de type solide à un comportement moléculaire est attendue. Les modifications des processus de thermalisation interne (interactions électrons-électrons et électrons phonons) avec la réduction de taille ont été étudiées dans des nanosphères d'argent triées en masse entourées de silice, et dans des échantillons d'or atomiquement définis stabilisées par des surfactants. Ces expériences ont mis en évidence les effets de confinement quantique des états électroniques sur la cinétique électronique. L'étude des vibrations acoustiques de nanoparticules dans le même régime de taille a été effectuée. Les vibrations observées dans les agrégats d'or sont dominées par leur mode de respiration radial avec une période proportionnelle à leur diamètre, an analogie avec les nanoparticules plus grandes. Le mode de respiration observé sur les nanoobjets bimétalliques de type cœur/couronne Pt-Au et Ni-Ag est en accord quantitatif avec les estimations du modèle élastique macroscopique, malgré une épaisseur de couronne monoatomique. La spectroscopie résolue en temps a également été utilisée pour étudier le transfert de chaleur à travers l'interface d'une nanoparticule sphérique. Dans ce but, l'évacuation de la chaleur dans des nanoparticules d'or, nues ou enrobées de silice, en solution colloïdale a été étudiée expérimentalement et modélisée de manière quantitative grâce à la prise en compte de la contribution de l'environnement (échauffement du solvant) au signal optique / We used ultrafast time-resolved pump-probe spectroscopy to experimentally investigate the optical response of small metal nano-objects in the few nanometer range (< 2 nm), where a transition from a small solid behaviour to a molecular one is expected. The modification of the intrinsic thermalization processes (electron-electron and electron-phonon interactions) has been studied both on glass-embedded mass-selected silver samples and chemically synthesized ligand-stabilized atomic-defined gold clusters. Electron gas internal thermalization and cooling with the lattice are shown to be affected by size reduction and the concomitant discretization of electronic states. The acoustic response in the same small size range has been investigated. Vibrations of gold clusters were characterized by a quasi-breathing mode scaling with their size, in analogy with larger nanoparticles. The breathing mode of bimetallic core/shell Pt-Au and Ni-Ag nanospheres appeared to be in good quantitative agreement with predictions of continuous elastic models, despite the monoatomic thickness of the layer shell. The same time-resolved approach was used to investigate heat transfer through the nanoparticles interfaces. In this context, heat evacuation of bare or silica-encapsulated gold

Nous décrivons le développement d'une nouvelle source d'ablation laser de nano-agrégats, qui couple la vaporisation laser avec l'ionisation par électro-spray. Avec cette source nous sommes capables de produire de nombreuses nouvelles espèces d'agrégats métalliques, de les étudier par spectrométrie de masse, et d'observer leur réactivité en phase gazeuse. Les stochiométries des nouvelles espèces sont étudiées en fonction de la composition du jet électro-spray. Nous trouvons ainsi que la présence de ligands thiols dans l'électro-spray empêche l'oxydation dans l'atmosphère des agrégats métalliques. De plus, la stabilité et le motif de fragmentation des agrégats métalliques et de leurs oxydes sont étudiés en mettant l'accent sur les différences et les similarités entre l'or et l'argent, aussi bien sous forme anion que cation. Les motifs de fragmentation des complexes de métaux du groupe cuivre sont étudiés et comparés à la chimie de synthèse en phase liquide. Par ailleurs, grâce à des modifications du montage expérimental, nous sommes capables d'étudier la réactivité en phase gazeuse des métaux des groupes cuivre et nickel avec les oxydes de carbone (CO) et oxydes d'azote (NO). La simple absorption du CO sur les agrégats métalliques est observée, ainsi que quelques réactions chimiques. Enfin, les complexes M2+ et M2H+ (avec M=Ag, Au, Pd, Pt) sont examinés en détail en terme de réactivité et du rôle de l'hydrogène dans la stabilisation du complexe / We describe the development of a new laser ablation nanocluster source which couples laser vaporization with electrospray ionization. With it we are able to produce many new species of metal clusters and study them with mass spectrometry, as well as investigate their reactivity in the gas phase. Stoichiometries of new species are investigated as a function of electrospray plume composition. We find that the presence of thiol ligands in the electrospray inhibits the oxidation of metal clusters in the atmosphere. Additionally, the stability and fragmentation patterns of bare metal clusters and their oxides, are investigated, with emphasis on differences and similarities between gold and silver, both for anions and cations. Fragmentation patterns of ligated complexes of the copper-group metals are studied as well and compared to the wet chemistry synthesis. By additional modification of the experimental setup, we are able to study gas phase reactivity of copper and nickel group metals with CO and NO. Simple adsorption of CO to metal clusters is observed, as well as some chemical reactions. The M2+ and M2H+ (M=Ag, Au, Pd, Pt) complexes are examined in detail in terms of reactivity and the role of hydrogen in stabilization of the complex

L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier l'influence d'un environnement de gaz rare sur les propriétés statiques et dynamiques de petites molécules de sodium. Les différentes propriétés physicochimiques de ce système permettent une modélisation à deux niveaux dans laquelle seuls les degrés de liberté associés aux électrons de valence de la molécule sont traités quantiquement. Nous avons développé une approche générale permettant de traiter le problème de la structure électronique de la molécule immergée par une méthode d'interaction de configurations, dans laquelle ses noyaux et les atomes de gaz rare sont traités en dynamique moléculaire classique d'atomes polarisables.<br />En adaptant ce modèle théorique, à l'atome et aux dimères de sodium immergés dans des matrices d'argon, nous avons déterminé la géométrie d'équilibre et les propriétés spectrales de ces systèmes. Le site de piégeage le plus favorable du dimère est différent selon qu'il soit chargé ou pas. Nous retrouvons ce résultat de manière dynamique si l'on procède à l'ionisation du Na2 immergé. <br />En étudiant la dynamique sur le premier état excité de Na2+, nous avons observé l'importance de la taille de la matrice sur la dissociation de ce dimère. Nous avons ainsi déterminé un nombre critique d'argon au-delà duquel la dissociation est empêchée dû à un changement de site du Na2+ au sein de sa rangée d'insertion. Mais en introduisant les couplages non adiabatiques au moyen d'un algorithme de saut de surfaces, ce changement de site, observé pour les systèmes comportant plus d'une centaine d'argon, est avorté grâce à une désexcitation non radiative vers l'état fondamental au bout de quelques picosecondes.

En chimie quantique, le principe variationnel est largement utilisé pour calculer la limite supérieure de l'énergie exacte d'un système atomique ou moléculaire. Des méthodes pour calculer la valeur limite inférieure de l'énergie existent mais sont bien moins connues. Une méthode précise pour calculer une telle limite inférieure permettrait de fournir une barre d'erreur théorique pour toute méthode de chimie quantique. Nous avons appliqué des méthodes de type variance pour calculer différentes énergies limites inférieures de l'atome d'hydrogène en utilisant des fonctions de base gaussiennes. L'énergie limite supérieure se trouve être toujours plus précise que ces différentes limites inférieures, i.e. plus proche de l'énergie exacte. L'importance de points singuliers sur l'évaluation de valeurs moyennes d'opérateurs quantiques a également été soulignée.Nous avons étudié les réactions d'adsorption d'un atome de fluor et d'un ion fluorure sur de petits agrégats de lithium Li$_n$ (n=2-15), à l'aide de méthodes de chimie quantique précises. Pour le plus petit système, nous avons montré que la formation de complexes stables Li$_2$F et Li$_2$F$^-$ se produit par un transfert d'électrons sans barrière et à longue portée, de Li$_2$ vers F pour le système neutre et l'inverse pour le système anionique. De telles réactions pourraient être rapides à très basse température. De plus, les complexes formés présentent des caractéristiques uniques de "longue liaison". Pour les systèmes plus gros Li$_n$F/Li$_n$F$^-$ ($n\geqslant4$), nous avons montré que les énergies d'adsorption peuvent être aussi grandes que 6~eV selon le site d'adsorption et que plus d'un état électronique est impliqué dans le processus d'adsorption. Les complexes formés présentent des propriétés intéressantes de "super alcalins" et pourraient servir d'unités de base dans la synthèse de composés à transfert de charge avec des propriétés ajustables. / In quantum chemistry, the variational principle is widely used to calculate an upper bound to the true energy of an atomic or molecular system. Methods for calculating the lower bound value to the energy exist but are much less known. An accurate method to calculate such a lower bound would allow to provide a theoretical error bar for any quantum chemistry method. We have applied variance-like methods to calculate different lower bound energies of a hydrogen atom using Gaussian basis functions. The upper bound energy is found to be always more accurate than the lower bound energies, i.e. closer to the exact energy. The importance of singular points on mean value evaluation of quantum operators has also been brought to attention.The adsorption reactions of atomic fluorine (F) and fluoride (F$^-$) on small lithium clusters Li$_n$ (n=2-15) have been investigated using accurate quantum chemistry ab initio methods. For the smallest system, we have shown that the formation of the stable Li$_2$F and Li$_2$F$^-$ complexes proceeds via a barrierless long-range electron transfer, from the Li$_2$ to F for the neutral and conversely from F$^-$ to Li$_2$ for the anionic system. Such reactions could be fast at very low temperature. Furthermore, the formed complexes show unique long bond characteristics. For the bigger Li$_n$F/Li$_n$F$^-$ systems ($n\geqslant 4$), we have shown that the adsorption energies can be as large as 6~eV depending on the adsorption site and that more than one electronic state is implied in the adsorption process. The formed complexes show interesting "superalkali" properties and could serve as building blocks in the synthesis of charge-transfer compounds with tunable properties.

Cette thèse porte sur l'étude de la structure et de la réactivité d'agrégats de palladium déposés sur une surface d'alumine, qui sont des modèles de catalyseurs. L'enjeu de ce travail est de dégager l'effet du support sur la nucléation et la réactivité de la phase métallique tout en prenant en compte de façon explicite l'hydratation des surfaces de l'alumine. Des agrégats de 1 à 13 atomes ont été étudiés. Une première partie concerne l'exploration de la structure des agrégats sur la surface. Deux modes d'interaction ont été révélés par le calcul. Les petits agrégats (<3 atomes) montrent une interaction forte avec la surface, induisant une déformation marquée de celle-ci. Pour des plus grosses tailles, la thèse montre que les agrégats développent une interaction faible avec le support, et que la structure est dominée par les interactions Pd-Pd. La réactivité des agrégats de taille 4 a été également étudiée par adsorption de CO et d'éthylène. Cette étude permet de démontrer à la fois les effets liés à la taille de l'agrégat et à l'interaction avec le support d'alumine. Plusieurs concepts qualitatifs importants ressortent de ce travail.

L'objectif de ce travail est d'élaborer par pulvérisation ionique des films minces nanocomposites d'agrégats d'argent dispersés dans des matrices diélectriques. Plus précisément, nous avons cherché à contrôler la morphologie des agrégats afin d'ajuster la position spectrale de la bande d'absorption associée à leur mode de résonance plasmon (1,1). Par des mesures de microscopie électronique en transmission et diffusion centrale des rayons X en incidence rasante, nous montrons que les agrégats élaborés sont de forme ellipsoïdale, de rapport hauteur/diamètre H/D dépendant fortement du mode de dépôt choisi : H/D>1 dans le cas d'un co-dépôt des espèces métallique et diélectrique, H/D§1 dans le cas d'un dépôt alterné (tricouches diélectrique/Ag/diélectrique). Pour les deux modes de dépôt, nous avons ajusté la valeur de H/D en jouant sur plusieurs paramètres d'élaboration : la quantité d'argent déposée, la nature de la matrice (Si3N4 ou BN), les conditions d'assistance (co-dépôts), et la durée de mûrissement des agrégats (tricouches). Nous utilisons ces résultats afin de discuter les mécanismes de croissance des films minces nanocomposites métastables élaborés : nous montrons que les aspects cinétiques de la croissance jouent un rôle prépondérant sur la structure finale de ces films. Nous montrons par ailleurs que H/D peut être modifié par des post-traitements (irradiations ou recuits) qui rapprochent les matériaux de leur état d'équilibre stable (H/D = 1). Ainsi, nous montrons que la position spectrale du mode (1,1) des agrégats peut être ajustée sur tout le spectre du visible en fonction de la forme des agrégats, en accord qualitatif avec les prévisions du modèle de Maxwell-Garnett. Enfin, nous présentons les résultats d'études préliminaires portant sur l'élaboration de nanocomposites auto-organisés (multicouches) et la caractérisation des résonances plasmon par spectroscopie de pertes d'énergie des électrons en réflexion.

L'aptitude des zéolithes à initier spontanément des séparations de charges durables constitue une de leurs propriétés les plus fascinantes. Dans le cadre de cette étude, l'adsorption de trois amines aromatiques (phénothiazine, tétraméthyl-p-phénylènediamine et diéthylaniline) possédant un potentiel d'ionisation faible (< 7 eV) a été étudiée dans des zéolithes à canaux de types mordénite, ZSM-5 et Ferriérite. Ces échantillons ont été caractérisés par spectroscopie d'absorption UV-visible par réflexion diffuse, spectroscopie de diffusion Raman et résonance paramagnétique électronique. Les effets de la largeur des pores et de la longueur de la chaine alkyle portée par la molécule ont ainsi été testés. L'ensemble des résultats a mis en évidence le rôle essentiel de l'effet du confinement sur le processus d'ionisation et sur la stabilisation des états de charges séparées pendant de longues durées. L'observation d'espèces radicalaires de longues durées de vie s'explique par un éloignement des électrons éjectés par rapport au site d'ionisation de la molécule (compartimentalisation). Le deuxième enjeu de cette thèse est consacré à l'étude d'une nouvelle voie de synthèse de nanoclusters d'argent au sein du réseau poreux des zéolithes. La formation des clusters est initiée par la réduction de cations Ag⁺ suite à l'ionisation spontanée ou photoinduite d'une molécule aromatique donneuse d'électron préalablement adsorbée dans les canaux. Les premières étapes de formation de ces nanoclusters d'argent ont été identifiées grâce à la spectroscopie d'absorption UV-visible résolue en temps et à l'utilisation de nanoparticules de zéolithes en solution colloïdale.