Cette thèse porte sur la modélisation des propriétés structurales, aromatiques et spectroscopiques d'une nouvelle classe de macrocycles alternatifs aux porphyrines, les azacalixphyrines (ACPs). Ces macrocycles conjugués, synthétisés et caractérisés pour la première fois en 2010 par le groupe d’Olivier Siri à Marseille, ont montré des propriétés exceptionnelles (structure, absorption, tautomérie, et complexation). Cette thèse vise à proposer de nouveaux dérivés aux propriétés améliorées, notamment en ce qui concerne leur absorption, en utilisant les outils offerts par la chimie théorique. Parmi toutes les approches ab initio permettant de modéliser les ACPs, la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et sa forme dépendante du temps (TDDFT) ont été principalement appliquées, bien que des calculs utilisant des méthodes alternatives aient également été effectués, notamment à l'aide du formalisme Bethe-Salpeter (BSE/evGW) dans le cadre d'une collaboration avec l'équipe du Dr. Xavier Blase à Grenoble. Trois stratégies chimiques ont été évaluées: (i) l’extension de la délocalisation des électrons  en fusionnant plusieurs unités ACP; (ii) la substitution de l’ACP via l'addition de groupes électroactifs; et (iii) le couplage du macrocycle avec un fluorophore présentant une absorption complémentaire afin d'absorber la lumière sur une plus grande gamme du spectre et déclencher des processus de transfert d'énergie entre les sous-unités. Les deux premiers axes ont été réalisés en collaboration avec l'équipe d’Olivier Siri alors que le dernier est le fruit d'une collaboration avec le groupe de Benedetta Mennucci à Pise. / This thesis focuses on the modeling of the structural, aromatic, and spectroscopic properties of a new class of macrocycles alternative to porphyrins, i.e., azacalixphyrins (ACPs). These conjugated macrocycles have first been synthesized and characterized in 2010 by Siri’s group in Marseille and revealed exceptional features (structure, NIR absorption, tautomerism, and complexation). This thesis aimed at using ab initio methods to propose new ACP derivatives with improved properties with a focus on their absorption. The Density Functional Theory (DFT) and Time- Dependent DFT (TD-DFT) methods have been predominantly applied, although alternative wavefunction-based theories [the second-order Coupled-Cluster, CC2, and the Algebraic Diagrammatic Construction, ADC(2)] as well as the Bethe-Salpeter formalism, BSE/evGW, have also been used. Three major directions to develop new ACP derivatives have been investigated: (i) the extension of the ACP -conjugation path by fusing several ACP moieties leading to multimers; (ii) chemical modifications of the ACP unit by addition of electroactive groups; and (iii) coupling of the ACP moiety with a fluorophore presenting a complementary absorption spectrum in order to improve the light harvesting and to trigger excitation energy transfer processes. The two former axes have been investigated in collaboration with Siri’s team whereas the latter has arisen from a collaboration with the Mennucci’s group.

La structure et la spectroscopie de molécules d'intérêt astrophysique ont été étudiées par des méthodes de calcul électronique ab initio hautement corrélées. Notre démarche a tout d'abord été d'étudier des systèmes allant de deux à quatre atomes, afin de voir l'influence du niveau de calcul électronique utilisé lors de la détermination de données comparables aux résultats expérimentaux. Ainsi, l'étude de la spectroscopie des états électroniques de la molécule AlCl a été entreprise. Les résultats obtenus pour ce système reproduisent parfaitement les mesures expérimentales existantes tout en introduisant la compréhension des phénomènes observés. Nous avons ensuite prédit un ensemble de données pour les ions AlCl+ et AlCl2+, en utilisant la même méthodologie. Nous avons également entrepris des calculs de durée de vie de prédissociation pour les molécules SH et SH+. Nos courbes d'énergie potentielle hautement corrélée nous ont permis de reproduire avec une grande précision les durées de vie de prédissociation des niveaux rovibrationnels de SH. Par la suite, nous avons étudié une molécule d'intérêt astrophysique, détectée dans l'atmosphère de Titan, N2H+. Nous avons généré des surfaces d'énergie potentielle multidimensionnelles pour les états fondamentaux des molécules N2H+, N2H2+ et N2HAr+. Ces surfaces ont été utilisées pour le calcul des niveaux rovibrationnels de ces ions et de leurs espèces deutérées. Un excellent accord avec les donné es expérimentales disponibles a été obtenu, et un ensemble de constantes spectroscopiques a été prédit. Enfin, nous nous sommes intéressés à une molécule plus grande, Si(C2H3)4. Cette étude nous a permis d'établir une méthodologie pour le calcul de la structure et des états électroniques excités de molécules de taille moyenne. Nous avons également effectué des calculs sur l'ion Si(C2H3)4+, afin d'interpréter sa fragmentation mesurée lors de l'expérience d'impact d'électron réalisée à l'Université de Bratislava durant cette thèse / Highly correlated ab initio methodologies were used to investigate the structure and the spectroscopy of small and medium sized molecules at different levels of theory. Our results are compared to the available experimental data. For the AlCl molecule, our computed spectroscopic constants were in good agreement with the experimental ones, allowing us to predict a set of predictive data for the less known AlCl+ and AlCl2+ ions. After that, we treated the predissociation lifetimes of the A state of SH and SH+. Our highly correlated calculations allowed us to reproduce the lifetimes measured experimentally. Thereafter, multidimensional potential energy surfaces of the ground state of N2H+, N2H2+ and N2HAr+ were generated. These surfaces were used for the calculations of rovibrational levels of these ions and their respective deuterated species. An overall excellent agreement was obtained comparing to the available experimental measurements. Finall y, we investigated the Si(C2H3)4 molecule in order to establish a methodology for the treatment of the structure and electronic excited states of medium sized molecules. We also studied the reactivity of the Si(C2H3)4+ ion for a tentative assignment of the mass spectra obtained in the University of Bratislava by an electron impact experiment

La famille des alliages d'Heusler regroupe plusieurs composés considérés comme étant des candidats de choix pour être intégrés en tant qu'électrode magnétique dans des dispositifs d'électronique de spin performants. Les plus intéressants de ces alliages présentent en effet des températures de Curie élevées, une demi-métallicité théorique ainsi qu'un faible coefficient d'amortissement de Gilbert. Expérimentalement, les résultats obtenus sont cependant généralement moins probants que ceux annoncés numériquement. La première partie de cette thèse est donc consacrée à l'étude ab initio d'hypothèses usuellement utilisées pour expliquer les différences entre mesures expérimentales et résultats théoriques. Des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité ont été effectués pour comprendre l'impact de défauts structuraux (désordres chimiques partiels, déformations tétragonales, lacunes) sur les propriétés électroniques et magnétiques statiques et dynamiques d'alliages full-Heusler massifs à base de Co (Co2MnSi, Co2MnSn, Co2MnAl et Co2FeAl). Dans la seconde partie de cette thèse nous proposons d'étudier, avec les mêmes outils numériques, les caractéristiques physiques d'hétérostructures "tout-Heusler" prometteuses pour l'électronique de spin et rares dans la littérature. Nous nous sommes concentrés sur les variations des propriétés électroniques aux voisinages des interfaces demi- métal/isolant (Fe2TiSi/Co2MnSi, CoTiAs/Co2MnSi) ou demi-métal/métal (Fe2VAl/Co2MnSi, RhNiSi/Co2MnSi) composant les multicouches étudiées. Les résultats obtenus démontrent l'intérêt certain de ces structures pour des applications en électronique de spin, telles que les vannes de spin ou les jonctions tunnel magnétiques. / The Heusler alloy family contains several compounds considered to be prime candidates to be integrated as magnetic electrode into high-?performance spintronic devices. Some of these alloys indeed exhibit high Curie temperatures, have been predicted theoretically to be half-?metallic, and display a low Gilbert damping parameter. Nevertheless, the experimental results are generally less convincing than those reported numerically. The first part of this thesis is devoted to the ab initio study of hypotheses that are usually used to explain the differences between experimental and theoretical results. Calculations, based on the density functional theory, are then used to understand the impact of structural defects (partial chemical disorders, tetragonal deformation, vacancies) on the static and dynamic electronic and magnetic properties of Co-?based bulk full-Heusler alloys (Co2MnSi, Co2MnSn, Co2MnAl et Co2FeAl). In the second part of this thesis we propose to study, with the same numerical tools, the physical characteristics of "all-Heusler" heterostructures promising for spintronics and rare in the literature. We have focused on the variations of electronic properties in the vicinity of the "half-metal/insulator" (Fe2TiSi/Co2MnSi, CoTiAs/Co2MnSi) or "half-metal/non-magnetic metal" (Fe2VAl/Co2MnSi, RhNiSi/Co2MnSi) interfaces composing the studied multilayers. The obtained results highlight the interest of these structures for spintronic devices such as spin valves or magnetic tunnel junctions.

J'ai décrit dans ce mémoire mes activités de chercheur aussi bien à Tomsk, avant 2003, successivement à l'Université d'Etat de Tomsk à la faculté de Physique, à l'Institut de Physique de Sibérie, puis à l'Institut d'Optique Atmosphérique, qu'en France depuis cette date, essentiellement à l'Université de Bourgogne (ICB), mais également à l'Université de Lille I (PhLAM) et à l'Université de Marne-la-Vallée (LCT). Une partie de mon travail a donc été dédiée à l'évaluation par calcul ab initio (avec Gaussian) de constantes rovibrationnelles pour des molécules quasi-sphériques. J'ai donné les constantes de distorsion centrifuge et le moment dipolaire de la molécule SO2 F2 pour valider la théorie tensorielle développée à l'ICB et interpréter le spectre. On peut constater que les calculs ab initio peuvent fournir les constantes rovibrationnelles avec une précision satisfaisante pour les besoins de la spectroscopie à haute résolution. Les calculs ab initio sont a priori une source intéressante de données supplémentaires. J'ai présenté aussi des résultats de calculs ab initio pour le champ de force anharmonique et la structure à l'équilibre de la molécule C2H3Br. La structure calculée par moindres carrés des moments d'inertie semi-expérimentaux avec les constantes d'interaction de rotation-vibration déduites de calculs ab initio combinées avec les constantes de rotation expérimentales révèle une très bonne précision. Cette stratégie de recalage, dans laquelle le champ de force fourni par le calcul ab initio est utilisé pour evaluer les constantes de rotation obtenues à partir des données expérimentales s'affirme donc bien comme une méthode intéressante pour calibrer des constantes physiques. Une grande partie de mon activité a consisté à rechercher et à exploiter de nouvelles ouvertures pour la détection de molécules et de complexes en phase gazeuse. Dans ce cadre, les différents états électroniques et vibrationnels des molécules et des complexes ont été étudiés par méthodes ab initio. Nous avons tenté de mieux comprendre la photophysique induite par les radiations et la possibilité d'application de la méthode de photofragmentation. Les longueurs d'ondes pour certains processus de photofragmentation ont été proposées. . Les résultats obtenus sont importants pour la détection des composants mineurs dans l'atmosphère et peuvent contribuer à la modélisation de la balance thermique de l'atmosphère. La partie concernant le complexe CH4 − N2 a consisté à obtenir la surface de potentiel du complexe pour des configurations différentes par calculs ab initio et à étudier des propriétés telles que le moment dipolaire, la polarisabilité et l'hyperpolarisabilité du complexe. Ce travail donne lieu à une thèse (quieje co-encadre depuis octobre 2007). La surface de potentiel est obtenue en s'appuyant sur le calcul ab initio au niveau «Coupled Cluster CCSD(T)» et sur une base de type aug-cc-pV(X)Z. La forme analytique du potentiel correspondant a été proposée. L'analyse de la surface de potentiel détermine la famille des configurations les plus stables correspondant à la rotation de la molécule N2 autour de l'axe x . Les fréquences harmoniques et anharmoniques sont calculées pour la configuration la plus stable. Le paramètre d'asymétrie K = (2B − A − C)/(A − C) = −0.99 est très proche de −1, ce qui correspond à une toupie quasi-symétrique allongée. Ce travail peut contribuer aux études sur l'élargissement des bandes rovibrationnelles et présente une contribution à la compréhension fondamentale de l'interaction des molécules sphériques comme le méthane avec des molécules constituant des atmosphères planétaires. Le partie concernant l'adsorption sur la zéolithe contient mes résultats sur la modélisation de la silicalite-1 et le processus d'adsorption de l'éthylène. Ces résultats montrent l'importance qu'il y a à bien choisir à la fois la zéolithe modèle et le niveau de la théorie pour obtenir la bonne réponse spectroscopique. On a montré que l'adsorption de la molécule non-polaire d'éthylène correspond à un processus de physisorption et que, dans le cas d'adsorption sur la silicalite-1, il n'y a pas de sites privilégiés. Donc, les calculs devraient être effectués sur différentes orientations des molécules. Les modifications des spectres d'adsorbat/adsorbant et leur interprétation ont été aussi présentées. Les déplacements causés par l'interaction de la molécule avec la silicalite tendent pour la plupart des modes de vibration vers les fréquences plus basses. La silicalite-1 peut adsorber jusqu'à 11 molécules par cellule élémentaire. Par conséquent, à haute charge, les interactions entre molécules jouent un rôle important. Ceci signifie que l'on doit également simuler l'adsorption de deux ou plusieurs molécules d'éthylène. silicalite-1 and the adsorption of ethylene.

Cette thèse a pour but d'étudier les propriétés spectroscopiques et la structure électronique du vanadium dans différents minéraux d'intérêt géologique et/ou technologique. Une approche expérimentale basée sur la spectroscopie HERFD-XAS au seuil K du vanadium a été combinée à une approche théorique. Cette dernière couple calculs ab initio et calculs multiélectroniques des spectres XANES, permettant une interprétation plus fine des spectres expérimentaux. Des développements théoriques basés sur les tenseurs sphériques et la méthode des cosets ont été effectués puis appliqués au cas de la section efficace d'absorption des rayons X, afin d'extraire les propriétés spectroscopiques du cristal à partir de celles d'un site individuel. La signature spectrale de V3+ dans le grossulaire (Ca3Al2(SiO4)3) a été déterminée grâce à la dépendance angulaire du préseuil de son spectre XANES. Ce minéral peut donc être utilisé de manière fiable comme composé de référence dans l'étude du degré d'oxydation du vanadium dans des verres, de minéraux et de composés synthétiques. Le vanadium peut être incorporé comme dopant dans l'anatase (TiO2 ) sous forme de vanadium tétravalent. Son environnement local dans l'anatase a été sondé, montrant que le vanadium n'est pas incorporé en substitution du titane. Enfin, le degré d'oxydation du vanadium dans les titanomagnétites (Fe3-xTixO4 :V) du Bushveld (Afrique du Sud) a été déterminé pour des échantillons naturels et synthétiques. La coexistence de deux degrés d'oxydation (+III et +IV) a été montrée mais les implications de leur variations relatives sur la formation des couches géantes de magnétite dans le Bushveld restent encore mal comprises.

La zirconolite est une des matrices envisagées pour le confinement des actinides mineurs dans le cadre du stockage des déchets en site géologique profond. Cependant, dans ces conditions, après plusieurs milliers d'années, l'eau peut arriver au contact du colis de déchets et être radiolysée lors de la désintégration des radionucléides. Au cours de cette thèse, nous avons donc étudié les effets de la radiolyse de l'eau, induite par des particules chargées (alphas ou protons), selon deux géométries, sur la livixation d'une zirconoloite synthétique, de formule Ca0,8Nd0,2ZrTi1,8Al0,2O7, où Nd simule la présence des actinides mineurs. Les irradiations externes ont été réalisées sur des zirconolites saines et amorphisées, dans l'eau pure ou en présence d'ions complexants. La dissolution de l'échantillon a été évaluée via le relâchement des cations constitutifs. La production de H2O2 radiolytique a également été mesurée. Le comportement du matériau a été évalué par calculs ab initio.

Dans cette thèse nous utilisons des méthodes globaux de prédiction des structures cristallographiques combinés à des techniques de grande capacité de traitement de données afin de prédire la structure cristalline de différents systèmes et dans des conditions thermodynamiques variées. Nous avons réalisé des prédictions structurales utilisant l'analyse cristalline par optimisation par essaims particuliers (CALYPSO) combinés avec la Théorie Fonctionnel de la Densité (DFT) ce qui a permis de mettre en évidence la stabilité de plusieurs composés jusqu'à la inconnus dans le digramme de phases du système Ba-Si et dans le système N-H-O. Nous avons également réalisé une étude à haute capacité de traitement de données sur un système ternaire de composition ABX2. Nous avons utilisé la Théorie Fonctionnel de la Densité combinant calculs de prototypes structuraux à partir des prédictions structurelles avec la méthode. Dans les paragraphes suivants nous résumons le contenu de différents chapitres de cette thèse. Le premier chapitre qui constitue une brève introduction au travail de cette thèse est suivi du chapitre 2 présentant les aspects théoriques utilisés dans ce travail. D'abord il est fait une brève introduction à la Théorie Fonctionnel de la Densité. A continuation nous décrivons quelques fonctions d'échange-corrélation choisies qui constituent des approximations rendant l'utilisation de la DFT efficace. Ensuite nous présentons différents procédés de prédiction structurale, et en particulier les algorithmes d'optimisation par essaims particuliers et de « Minima Hopping » qeu nous avons utilisés dans cette thèse. Finalement il est discuté comment doit-on se prendre pour évaluer la stabilité thermodynamique des nouvelles phases identifiées. Dans le chapitre 3, nous considérons le système Ba-Si. A travers l'utilisation d'une recherche structurale non-biaisée basée sur l'algorithme d'optimisation par essaims particuliers combinée avec des calculs DFT, nous faisons une étude systématique de la stabilité des phases et de la diversité structurale du système binaire Ba-Si sous haute pression. Le diagramme de phases résultant est assez complexe avec plusieurs compositions se stabilisant et se déstabilisant en fonction de la pression. En particulier, nous avons identifié des nouvelles phases de stœchiométrie BaSi, BaSi2, BaSi3 et BaSi5 qui devraient pouvoir être synthétisées expérimentalement dans un domaine de pressions étendu. Dans le chapitre 4 est présentée notre étude du diagramme de phases du système N-H-O. S'appuyant sur une recherche structural «évolutive » de type ab initio, nous prédisons deux nouvelles phases du système ternaire N-H-O qui sont NOH4 et HNO3 à de pressions allant jusqu'à 150 GPa. La nouvelle phase de NOH4 est stable entre 71 et 150 GPa, tandis que HNO3 est stable entre 39 et 150 GPa (la pression maximum de cette étude). Ces deux nouvelles phases sont lamellaires. Nous confirmons également que la composition NOH5 perd son stabilité pour des pressions supérieures à 122 GPa se décomposant en NH3 et H2O à cette pression. Le chapitre 5 se focalise sur les électrodes transparentes de type-p à base des chalcogénures ternaires. Nous utilisons une approche à grande capacité de traitement de données basée sur la DFT pour obtenir la delafossite et d'autres phases voisines de composition ABX2. Nous trouvons 79 systèmes qui sont absents de la base de données « Materials project database », qui sont stables du point de vue thermodynamique et qui cristallisent soit dans la structure delafossite, soit dans des structures très proches. Cette caractérisation révèle une grande diversité de propriétés allant depuis les métaux ordinaires aux métaux magnétiques et permettant d'identifier quelques candidats pour des électrodes transparents de type-p. Nous présentons enfin à la fin du manuscrit nos conclusions générales et les perspectives de ce travail / In this thesis we use global structural prediction methods (Particle Swarm Optimization and Minima Hopping Method) and high-throughput techniques to predict crystal structures of different systems under different conditions. We performed structural prediction by using the Crystal structure Analysis by Particle Swarm Optimization (CALYPSO) combined with Density Functional Theory (DFT) that made possible to unveil several stable compounds, so far unknown, on the phase diagrams of Ba-Si systerm and N-H-O system. Afterwards, we performed a high-throughput investigation on ternary compounds of composition ABX2, where A and B are elements of the periodic table up to Bi, and X is a chalcogen (O, S, Se, and Te) by using density functional theory and combining calculations of crystal prototypes with structural prediction (Minima Hopping Method). The following paragraphs summarize the content by chapter of this document. Chapter 1 is a short introduction of this thesis. Chapter 2 consists of the basic theory used in this thesis. Firstly, a short introduction of Density Function Theory (DFT) is presented. Then, we describe some approximate exchange- correlation functions that make DFT practical. Next, we introduce different structural prediction algorithms, especially Particle Swarm Optimization and Minima Hopping Method which we used in this thesis. Finally, we discuss the thermodynamic stablility criteria for a new a new structure. In Chapter 3, we first consider Ba–Si system. Using an unbiased structural search based on a particle-swarm optimization algorithm combined with DFT calculations, we investigate systematically the ground-state phase stability and structural diversity of Ba–Si binaries under high pressure. The phase diagram turns out to be quite intricate, with several compositions stabilizing/destabilizing as a function of pressure. In particular, we identify novel phases of BaSi, BaSi2, BaSi3, and BaSi5 that might be synthesizable experimentally over a wide range of pressures. Chapter 4 contains the investigation of the phases diagram of the N–H–O system. By using ab initio evolutionary structural search, we report the prediction of two novel phases of the N–H–O ternary system, namely NOH4 and HNO3 (nitric acid) at pressure up to 150 GPa. Our calculations show that the new C2/m phase of NOH4 is stable under a large range of pressure from 71 GPa to 150 GPa while the P21/m phase of HNO3 (nitric acid) is stable from 39 GPa to 150 GPa (the maximum pressure which we have studied). We also confirmed that the composition NOH5 (NH3H2O) becomes unstable for pressures above 122 GPa. It decomposes into NH3 and H2O at this pressure. Chapter 5 focuses on p-type transparent electrodes of ternary chalcogenides. We use a high-throughput approach based on DFT to find delafossite and related layered phases of composition ABX2, where A and B are elements of the periodic table, and X is a chalcogen (O, S, Se, and Te). From the 15 624 compounds studied in the trigonal delafossite prototype structure, 285 are within 50 meV/atom from the convex hull of stability. These compounds are further investigated using global structural prediction methods to obtain their lowest- energy crystal structure. We find 79 systems not present in the "Materials project database" that are thermodynamically stable and crystallize in the delafossite or in closely related structures. These novel phases are then characterized by calculating their band gaps and hole effective masses. This characterization unveils a large diversity of properties, ranging from normal metals, magnetic metals, and some candidate compounds for p-type transparent electrodes. At the end of the thesis, we give our general conclusion and an outlook

Les molécules-aimants sont des complexes moléculaires contenant des ions des métaux de transition ou des lanthanides capables de présenter le phénomène de blocage de l’aimantation en dessous d’une température de blocage Tb. Ce blocage est dû à la présence d’une barrière d’énergie de réorientation de leur aimantation à cause de la présence d’une anisotropie magnétique uniaxiale qui conduit à la présence de deux états stables de l’aimantation.Ces deux états stables sont adressables avec un champ magnétique extérieur. Il est donc,théoriquement, envisageable d’utiliser ces molécules comme unités de base pour le stockage « classique » de l’information.Néanmoins, à cause de la nature quantique des molécules, une relaxation entre les deux états de l’aimantation a lieu à basse température par effet tunnel à travers la barrière d’énergie. Cet effet tunnel a plusieurs causes dont une correspondant à une légère déviation de l’anisotropie magnétique de la situation strictement axiale. Cet effet annule le caractère bistable (classique) des molécules les rendant inutilisables comme bits classiques pour le stockage de l’information. Mais, la présence de l’effet tunnel conduit à une situation particulière à basse température où deux niveaux sont présents séparés par une énergie liée au caractère non axiale (rhombique) de l’aimantation (cas où le spin est entier). Un système à deux niveaux est appelé bit quantique(qubit) et constitue l’unité de base pour la construction d’ordinateurs quantiques si plusieurs conditions sont réunies.Ainsi, pour concevoir des bits classiques ou quantiques, il est indispensable comprendre au niveau microscopique la nature de l’anisotropie magnétique et les facteurs qui l’influencent.Ce travail de thèse est consacré à l’étude théorique de la nature de l’anisotropie magnétique dans des complexes mononucléaires et binucléaires de Ni(II) (S = 1)et de Co(II) (S = 3/2). Des calculs de type ab initio, basés sur la théorie de la fonction d’onde,qui permettent d’extraire les paramètres de l’hamiltonien de spin de l’anisotropie magnétique ont été effectués. Des calculs sur des objets modèles et molécules réelles qui permettent de séparer l’effet des différents paramètres structuraux et électroniques des ligands sur la nature et l’amplitude de l’anisotropie magnétique ont aussi été réalisés.La comparaison entre les calculs sur des complexes modèles et sur des complexes réels permet de rationaliser les propriétés magnétiques des complexes réels et surtout de proposer des stratégies pour la synthèse de nouveaux complexes avec les propriétés souhaitées. L’étude de complexes binucléaires qui peuvent être considérés comme la première étape pour la conception de porte logique quantique a été réalisée. Les calculs sur les complexes binucléaires sont réalisés en fragmentant les molécules en deux espèces mononucléaires. Pour les complexes binucléaires de Ni(II) et Co(II), des calculs de type Density Functional Theory (DFT) pour évaluer l’amplitude et la nature de l’interaction d’échange ont été menés. Pour étudier l’influence d’une perturbation extérieure sur les propriétés magnétiques, l’influence d’un champ électrique placé parallèle et perpendiculaire à l’axe de facile aimantation d’un complexe de Ni(II) a été étudiée. Le champ électrique peut influencer les propriétés d’anisotropie de manière importante ouvrant la possibilité à la manipulation des molécules par cette perturbation. / Single molecule magnets are molecular complexes containing transition metal or lanthanides ions which are able to block their magnetization below a certain blocking temperature Tb. This blocking is caused by an energy barrier separating the two orientations of magnetization leading to two stable magnetization states. These two states can be controlled by an external magnetic field.Therefore, it is theoretically possible to use these molecules as bits which are able to store“classical” information. However, due to the quantum nature of these molecules, the relaxation of magnetization can exist even at low temperatures. This phenomenon is called the quantum tunneling effect and prevents the bistable (classical) behavior of the magnetic properties, as well as their use as classical bits for data strorage.Yet, the quantum tunneling of the magnetization also leads to a particular situation at a low temperature where two levels are separated by an energy related to the non-axial character(rhombic) of the magnetization (when the spinis an integer). Such two-levels system could be used as a quantum bit (qbit) which is the basic unit for quantum information processing. Thus,the design of classical or quantum bits require a precise understanding of magnetic properties and their origin at a microscopic level.The Ph.D work was devoted to the theoretical study of the magnetic anisotropy in mononuclear and binuclear Ni(II) (S=1) and Co(II) (S=3/2) complexes. Ab initio calculations based on the wave function theory were carried out and the spin Hamiltonian parameters were extracted. Model complexes were used to investigate the structural and electronic parameters causing magnetic anisotropy.Calculations were, also, performed on complexes synthesized in the laboratory.Comparison between real and model complexes allowed rationalizing the magnetic properties and imagining new synthesis strategies leading to the desired magnetic properties. Binuclear complexes that can be considered as double qbits and used to build quantum logic gates were also investigated. The calculations were performed by fragmenting the binuclear complexes into two mononuclear units in order to study the local anisotropy of each metal ion.The exchange interaction was investigated using Density Functional theory (DFT). In order to study the influence of an external perturbation on magnetic properties, the magnetic properties of a mononuclear Co(II) complex under an external electric field applied parallel or perpendicular to the axis of easy magnetization were calculated. The application of an electric field can lead to important modifications of magnetic properties. Thereby, offering the possibility to the manipulation of these molecules by external electric fields.

Le magnésium est l'un des quatre éléments majeurs sur Terre. Il est présent dans différentes proportions dans les verres industriels et naturels (jusqu'à 30 poids% dans les komatiites, verres ultramafiques d'âge archéen). Sa présence semble influencer les propriétés physico-chimiques des verres et tout spécialement leur durabilité. Malgré ce comportement, le magnésium a été relativement peu étudié dans les verres et les études précédentes ont conduit à des contradictions sur son environnement (coordinence 4 et 6 par RMN et en coordinence 5 par diffraction des neutrons). Dans le but de lever ces contradictions, l'étude de la structure des verres magnésio-silicatés et de l'environnement du magnésium a été réalisée en utilisant deux méthodes complémentaires : la spectrométrie Raman et la spectroscopie d'absorption des rayons X. La spectroscopie Raman permet d'obtenir des informations sur la structure des verres telle que la connectivité du réseau silicaté, la variation des angles Si-O-Si ou la modification de la taille des anneaux de silicium. Plus précisément, les variations de la région des spectres Raman comprise entre 800 et 1400 cm-1 illustrent l'évolution du degré de polymérisation des verres en fonction du taux de magnésium, du taux de silicium et de la nature de l'alcalin modificateur de réseau. La spectroscopie d'absorption des rayons X au seuil K du magnésium nous a permis d'accéder à l'environnement spécifique autour de cet ion. Les spectres XANES des verres ont été comparés à ceux de références cristallines contenant du magnésium dans différents environnements (coordinence et nature des voisins notamment). Pour aller au-delà de la méthode dite " d'empreinte digitale ", et extraire des informations structurales pertinentes, les spectres XANES des cristaux et des verres ont été calculés. Les calculs ont été réalisés avec un code basé sur une méthode en ondes planes, dans l'espace réciproque avec l'utilisation de potentiel non muffin-tin. L'utilisation des calculs a permis de mettre en évidence des paramètres structuraux pertinents pour expliquer la position des structures XANES. Pour les verres, les structures initiales utilisées pour les calculs ont été obtenus par dynamique moléculaire classique puis relaxée de façon ab initio. L'environnement du magnésium (coordinence/distorsion) peut varier en fonction de la composition du verre. De ce fait, les interprétations classiquement réalisées des spectres Raman des verres doivent être considérées avec précaution

La spintronique est un nouveau domaine de recherche qui exploite l'influence de la caractéristique quantique de l’électron (le spin) sur la conduction électrique. Pour réaliser des composants de spintronique innovants, l’obtention des semi-conducteurs ferromagnétiques à température ambiante devenait un challenge international. Dans ce contexte, après les premières prédictions théoriques de la haute température de Curie de Zn1-xCoxO et les rapports contradictoires sur l'état magnétique de ce système, nous nous sommes attaché à étudier le semi-conducteur magnétique dilué Zn1-xCoxO. Une étude ab initio des propriétés structurales, électroniques et magnétiques du Zn1-xCoxO a été effectuée en utilisant la méthode de pseudopotentiels dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) avec les deux approximations GGA et GGA+U. En parallèle, des films minces de Zn1-xCoxO ont été synthétisés par co-pulvérisation cathodique magnétron en condition réactive avec différentes conditions d’élaboration. Les propriétés structurales, morphologiques, électriques et magnétiques ont été analysées par différentes techniques de caractérisation et confrontées à celles obtenues par l’étude ab inito. / Spintronic is a new field of research exploiting the effect of the quantum property of the electron (spin) on the electrical conduction. In order to realize innovative spintronic components, ferromagnetic semiconductors obtained at room temperature became an international challenge. In this context and following initial reports of high Curie temperature and contradictory reports on the magnetic states of this system, we investigated the diluted magnetic semiconductor Zn1-xCoxO. An ab initio study of structural, electronic and magnetic properties of Zn1-xCoxO was performed using the pseudopotentials method within the framework of density functional theory (DFT) with both GGA and GGA+U approximations. In parallel, thin films of Zn1-xCoxO were synthesised by reactive magnetron co-sputtering with different deposition conditions. The structural, morphological, electrical and magnetic properties were analyzed by various characterization techniques and compared with those obtained by ab inito study.