Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent de l'étude du dititanate de rubidium de stoechiométrie Rb$_{2}$Ti$_{2}$O$_{5}$. Ce matériau a été synthétisé dans les laboratoires du LPEM, en collaboration avec l'Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes. Le procédé de synthèse par voie chimique est présenté de façon détaillée dans le manuscrit. Une caractérisation par diffraction de rayons X en fonction de la température, réalisée sur poudre et monocristal a montré que le groupe d'espace du composé est C2/m. Des calculs de relaxation structurale utilisant la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT ) par méthode ab initio sont venus confirmer ces résultats. Une étude des modes vibratoires du réseau cristallin par spectroscopie Raman et IR en fonction de la température est aussi présentée dans ce manuscrit. Des calculs DFT sur les modes vibratoires du Rb$_{2}$Ti$_{2}$O$_{5}$ sont également présentés pour compléter l'étude spectroscopique. Des études par Microscope Electronique à Transmission ainsi que Microscope Electronique à Balayage viennent ajouter des informations sur la structure cristalline et la topographie du matériau. La majeure partie des travaux présentés dans ce manuscrit concerne des mesures de transport réalisées sur ce composé. Cette étude se compose d'un ensemble de mesures comportant des cycles I-V, Q-V et des mesures de permittivité en fréquence, le tout sur une large plage de température (100\,K-400\,K). Une valeur colossale de la permittivité relative (10$^8$) avec une variation de six ordres de grandeurs entre les basses et hautes fréquences, ainsi que des signatures dans les courants de polarisation de déplacement attestant d'un comportement de type ferroélectrique ont été mis en évidence. Nous avons montré que les échantillons de Rb$_{2}$Ti$_{2}$O$_{5}$ sont très faiblement conducteurs électroniquement mais de bons conducteurs ioniques. Nous avons mis en évidence des propriétés d'accumulation de charge ionique donnant lieu à des macro-dipôles expliquant une valeur colossale de la constante diélectrique. Ces propriétés s'activent dans une plage de température comprise entre 200K et 330K. Nous avons de surcroît démontré que ce matériau offrait de manière intrinsèque les propriétés d'un système de permittivité. / The work described in this thesis report deals with the dielectric investigation of the rubidium peroxititanate with stoechiometry Rb$_{2}$Ti$_{2}$O$_{5}$. This material has been synthetized in the LPEM (ESPCI Paris) with the collaboration of Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes, France). The synthesis process is based on chemical solid state reactions and is detailed in this report. An X-Ray diffraction caracterization as function of the temperature was realized on powders and single cristals and showed that the material structure is C2/m. Structural relaxation computations using Density Functional Theory (DFT) confirmed these results. A deep investigation of the phonon modes by means of Raman and Infrared spectroscopy as function of temperature was also performed and results are presented and discussed in the thesis. DFT computations of the phonon modes of the Rb$_{2}$Ti$_{2}$O$_{5}$ are also displayed to finalize the structural study. Transverse Electron Miscroscopy and Scanning Electron Microscopy also brought useful information concerning the crystal structure and the topography of the materials. The main part of the work presented in this thesis is related to electrical transport measurements performed on Rb$_{2}$Ti$_{2}$O$_{5}$ crystals. This study consists of a temperature dependence investigation of I-V and Q-V cycles as well as permittivity measurements as function of frequency. We report a colossal relative permittivity (10$^8$) with a variation of almost six order of magnitude between low and high frequencies, and signatures in the displacement currents attesting of a huge variation of polarization due to ferroelectic-like behavior. We showed that the samples of Rb$_{2}$Ti$_{2}$O$_{5}$ are very weak electronic conductors (10$^{-9}$\,S.cm$^{-1}$) but very good ionic conductors (10$^{-3}$\,S.cm$^{-1}$). We have evidenced ionic charge accumulation properties giving rise to macro-dipoles explaining this colossal dielectric constant value. These properties were found to be activated within a temperature range of 200\,K -330\,K. In addition it was demonstrated that this material genuinely behaves as a memristive system.

Cette thèse se concentre sur l'étude de l'impact de divers défauts de réseau, c'est-à-dire de dislocations, de parois entre phases inversées, de décalages de mailles et de gaps, sur la conductivité thermique de nano-fils par simulation de dynamique moléculaire et les calculs de fonctions de Green atomiques. Tout d'abord, nous calculons la conductivité thermique de nano-fils de silicium orientés <110> incluant une dislocation spirale par la dynamique moléculaire de non-équilibre. Nous constatons qu'avec l'inclusion d'une dislocation, le taux de diffusion phonon-phonon est amélioré de façon significative en raison de l'existence du champ de déformation induit. Ce processus de diffusion anharmonique augmente avec le vecteur de Burger. Par conséquent, la conductivité thermique de nano-fils disloqués est largement réduite et le pourcentage de réduction est proportionnel à la grandeur du vecteur de Burger. Deuxièmement, le concept de nano-fils de super-réseau anti-phase est proposé et leur conductivité thermique est étudiée avec la dynamique moléculaire d'équilibre. On constate que la frontière anti-phase peut diffuser fortement les phonons et réduire la vitesse de groupe des phonons. Le jeu entre le transport cohérent de phonons et la diffusion de surface conduit à une conductivité thermique minimale à une période de longueur spécifique. La combinaison de la diffusion des phonons à l'interface et la diffusion de surface des nanofils réduit la conductivité thermique de SiC de deux ordres de grandeur, ce qui est d'un grand intérêt pour les applications en thermoélectricité. Troisièmement, nous démontrons que le transport des phonons peut être entravé en grande partie dans un nano-fil de Si avec une structure en zig-zag périodique. Une conductivité thermique plus faible est observée du fait d'un pur effet géométrique, qui produit une disparition complète des directions principales de polarisation de phonon à une période de longueur spécifique. La conductivité thermique minimale et la longueur de période correspondante sont dépendantes du diamètre. L'avantage de cette structure est qu'elle supprime en grande partie le transport thermique sans détériorer le transport d'électrons. Enfin, la transition entre la conduction de la chaleur et le rayonnement de champ proche dans un système de chaîne de clusters de SiO2 est étudiée avec la méthode des fonctions de Green. Trois régions de variation de la conductance dans ce domaine de largeur de gap sont identifiées, plus particulièrement, la région liée à la conduction où les électrons des deux corps sont mis en commun au milieu du gap, la région de champ proche prédominée par des interactions de charges de surface, et la région de champ proche prédominée par des interactions dipôle-dipôle de volume. Cette étude fournit finalement une description de la transition entre le rayonnement et la conduction de la chaleur dans les gaps de dimensions inférieures à quelques nanomètres. / This thesis is focused on the investigation of the impact of various lattice defects, i.e., screw dislocations, anti-phase boundaries, twinning boundaries, and vacuum gaps, on the thermal conductivity of nanowires by molecular dynamic simulations and Green's function calculations. We firstly calculated the thermal conductivity of <110> Si nanowires with a screw dislocation in the center through non-equilibrium molecular dynamics.We find that with the inclusion of a dislocation, the phonon-phonon scattering rate is enhanced dramatically due to the dislocation-induced strain field. This anharmonic scattering process increases with the Burger's vector. As a result, the thermal conductivity of dislocated nanowires is largely reduced and the reduction percentage is proportional to the magnitude of Burger's vector. Secondly, the concept of anti-phase superlattice nanowire is proposed and its thermal conductivity is investigated with equilibrium molecular dynamics. It is found that the anti-phase boundary can strongly scatter phonons and reduce the phonon group velocity. The interplay between phonon coherent transport and boundary scattering results in a minimum thermal conductivity at a specific period length. The combination of anti-phase boundary scattering and nanowire surface scattering reduces the thermal conductivity of SiC by two orders of magnitude, which is of great interest for potential thermoelectric applications. Thirdly, we demonstrate that phonon transport can be hindered to a large extent in a Si nanowire with periodically distributed twinning boundaries. A minimum thermal conductivity is observed due to a pure geometrical effect, which produces a thorough disappearance of favored phonon polarization directions at a specific period length. The minimum thermal conductivity and the corresponding period length are diameter dependent. The advantage of this structure is that it largely suppresses the thermal transport without deteriorating the electron transport. Finally, the transition from heat conduction to near field radiation in a SiO2 cluster chain system is investigated with the phonon Green's function. Three conductance variation regions within the studied distances are identified, more specifically, the heat conduction region with shared electrons in the middle of a gap, the near field region predominated by surface charge interactions, and the near field region predominated by volume dipole-dipole interactions. This study finally provides a description of the transition between radiation and heat conduction in gaps smaller than a few nanometers.

L’intérêt pour les propriétés thermiques de matériaux nanostructurés est croissant. Ces matériaux sont conçus pour être inclus dans les dispositifs micro-électroniques et les systèmes micro électromécaniques (MEMS) dont le comportement et la fiabilité dépendent fortement de l’évacuation de la chaleur générée. Les matériaux multicouches diélectrique/métal sont de bons candidats pour la conversion thermoélectrique et leur utilisation est envisagée pour diminuer les températures maximales dans les systèmes microélectroniques. La diminution de l’épaisseur des couches permet de diminuer la conductivité thermique, conduisant à un plus grand facteur de mérite de conversion thermoélectrique. Cette diminution est due à la diminution de la conductivité thermique intrinsèque de chaque couche lorsque leur épaisseur décroit jusqu’à des dimensions du même ordre de grandeur que le libre parcours moyen des porteurs de chaleur et à l’influence croissante de la conductance d’interface. La prédiction de la conductivité thermique de tels systèmes passe donc par une simulation fiable du transfert de chaleur aux interfaces. La dynamique moléculaire (DM) est un outil particulièrement bien adapté à ce type d’études. Cependant les résultats des simulations dépendent fortement des potentiels interatomiques utilisés. La comparaison des propriétés prédites à l’aide des différents potentiels interatomiques avec les valeurs expérimentales permet de valider les potentiels pour prédire les propriétés concernées. Dans le premier chapitre, les fonctions mathématiques et les paramètres utilisés dans les potentiels interatomiques sont explicités. Dans le deuxième chapitre, l’objectif est de proposer une méthodologie pour sélectionner les potentiels les plus appropriés pour les études de transfert de chaleur. Cette méthodologie est illustrée pour le Si qui est le semi-conducteur le plus utilisé au sein de dispositifs microélectroniques et MEMS ainsi que pour l’Au, l’Ag et le Cu qui sont les métaux les plus souvent considérés. La conductivité thermique du Si massif est calculée, en utilisant la dynamique moléculaire hors d’équilibre (DMNE) avec trois potentiels parmi les cinq évalués précédemment pour valider cette évaluation. Le système diélectrique/métal qui a été le plus étudié avec la dynamique moléculaire mais également de manière expérimentale jusqu’à présent est certainement le système Si/Au. Les films de Cu et Ag sur des substrats de Si orienté sont les principales combinaisons dans les circuits intégrés de grande échelle. Une paramétrisation du potentiel de type MEAM est développée pour calculer les interactions Si/Au, Si/Ag et Si/Cu dans la troisième partie de ce travail. Les potentiels croisés sont utilisés pour prédire la conductance d’interface et développer les courbes de densité d’états pour les interfaces Si/Au Si/Ag et Si/Cu. / Interest in thermal properties of nanostructuredmaterials is growing. These materials are designed to be included in microelectronic devices and micro electromechanical systems (MEMS) whose behavior and reliability depend strongly on the dissipation of generated heat. Multilayer materials dielectric/metal are good candidates for thermoelectric conversion and their use is considered to reduce the maximum temperatures in microelectronic systems. The decrease in the thickness of the layers reduces the thermal conductivity, leading to a larger figure of merit of thermoelectric conversion. This decreasing is due to the decrease of intrinsic thermal conductivity of each layer when the thickness decreases to the dimensions of the same order of magnitude as the mean free path of heat carriers and bigger influence of the interface conductance. Predicting the thermal conductivity of such systems therefore requires a reliable simulation of heat transfer at interfaces. Molecular dynamics is a tool particularly well suited to this type of study. However the simulation results depend strongly on interatomic potentials used. The comparison of properties predicted using different interatomic potentials with experimental results validates the potential for predicting the properties concerned. In the first chapter, the mathematical functions and parameters used in the interatomic potentials are explained. In the second chapter, the objective is to propose a methodology to select the most appropriate potential for studying heat transfer. This methodology is illustrated for Si, the semiconductor most used in microelectronic devices and MEMS as well as for Au, Ag and Cu which are the metals most often seen. The thermal conductivity of bulk Si is calculated using the nonequilibrium molecular dynamics with three potential among the five previously evaluated to confirm this assessment. The system dielectric/metal that has been most studied with molecular dynamics but also experimentally is certainly the system Si/Au. The Cu and Ag films on oriented Si substrates are in the main combinations of large-scale integrated circuits. A parametrisation of MEAM cross-potential is developed to calculate interactions Si/Au, Si/Ag and Si/Cu in the third part of this work. The cross-potentials are used to predict the interfacial thermal conductance and to predict the density of states curves for the interfaces Si/Au Si/Ag and Si/Cu.

Depuis les années 1960, les scientifiques se sont intéressés à l’étude d’effets biologiques provoqués par des champs électromagnétiques impulsionnels. Les premiers effets ont été observés avec des impulsions dont la durée va de quelques microsecondes à quelques millisecondes. Ce phénomène, appelé électroporation, est de nos jours utilisé dans des thérapies anticancéreuses appelées électrochimiothérapies. Les études en laboratoires avec des impulsions ont continuées, mais avec des impulsions de plus en plus courtes, notamment des impulsions pouvant atteindre une durée de quelques centaines de picosecondes avec des amplitudes de forts niveaux (100MV/m). Ces études sont encore émergentes et nécessitent d’être poursuivies, mais pour cela, il est nécessaire de concevoir des moyens d’expérimentations électromagnétiques fiables. Ce travail de thèse consistait à concevoir deux applicateurs de champ électrique : un applicateur in vitro, dans le but d’illuminer des cellules contenues dans des éprouvettes et un applicateur in vivo dans le but de prévoir de futures thérapies non invasives pour le patient. Pour l’applicateur in vitro, les différents résultats obtenus en simulations et expérimentalement sont très encourageant et montrent qu’il est déjà possible d’effectuer des expérimentations biologiques avec. Pour l’applicateur in vivo, qui s’agit de l’antenne PSIRA initialement développée par C. E. Baum, plusieurs problématiques ont été soulevées. Tout d’abord, il a été montré que les tissus biologiques tels que la peau où les muscles ont des permittivités relatives élevées et de fortes pertes pour des fréquences de l’ordre de quelques GHz et au-delà. Afin de maximiser la pénétration de champ électrique à l’intérieur de ces tissus, il a été décidé d’immerger l’antenne dans un milieu de forte permittivité, tels que la glycérine et l’eau. Ces liquides possèdent également des pertes diélectriques non négligeables. Ces pertes ont un fort impact négatif sur les performances de l’antenne. Pour rendre ce système opérationnel plusieurs modifications doivent être opérées, notamment en changeant le milieu d’immersion par un milieu sans pertes. / Since the years 1960, scientists have been interested to the study of biologic effects caused by pulsed electrical fields. The first effects were obtained with microseconds pulses and milliseconds pulses. This phenomenon has been called electroporation and it’s used in anticancerous therapies called electrochimiotherapies. Laboratory studies are continuing, but with shorter pulses like high level subnanoseconds pulses (100MV/m). These studies are emerging and must be pursued, but it’s necessary to design reliable electromagnetic systems. The goal of this thesis was to design two electrical field applicators: an in vitro applicator, to illuminate biologic cells contained in test tube and an in vivo applicator to predict future non invasive therapies. For the in vitro applicator, simulations and experimental results are very encouraging and biological experimentations would be possible with this system. For the applicator in vivo, which is the PSIRA antenna designed par C. E. Baum, many problems are highlighted. First, biological tissues like skin and muscle have high permittivity and high dielectric losses with frequencies in the order of GHz and behind. To maximize electric field penetration in these backgrounds it was decided to submerge the antenna in high permittivity background too, like glycerin and water. These liquids have high dielectric losses which have a strong negative impact on the antenna performances. To make this system operational, some modifications must be done, like changing the actual background with a no losses background.

Les matériaux thermoélectriques (TE) offrent la possibilité de convertir directement un flux de chaleur en courant électrique pour recycler la chaleur perdue, par exemple par nos automobiles. Les skutterudites AyFe4-xCoxSb12, (A = Ce, Yb, …, 0 ≤ y < 1; x < 4) sont déjà de bons matériaux thermoélectriques dans le domaine de température 400–800K. Pour améliorer le coefficient Seebeck, des nano-inclusions de InSb ou GaSb (~50 nm) ont été générées à l’étape de frittage flash dans Ce0,3Fe1,5Co2,5Sb12 de type p. Elles n’ont pas eu l’effet escompté de filtrage en énergie des trous mais ont conduit à l’insertion de ~ 0,1 mol d’indium ou de gallium dans Ce0,3Fe1,5Co2,5Sb12 et à un facteur de mérite TE amélioré ZTmax = 0,7 (+ 20%) dans les deux cas . Pour réduire la conductivité thermique et améliorer leur performances TE, nous avons entrepris d’élaborer pour Co0,91Ni0,09Sb3 et Yb0,25Co4Sb12 de type n des microstructures à grains ultrafins (~ 100 nm) par broyage à haute énergie et frittage flash (SPS). Pour inhiber la croissance des grains lors du frittage, nous avons utilisé des additifs nanométriques (10 – 20nm), soit ajoutés ex-situ (CeO2, SiO2), soit générés in-situ (Yb, Yb2O3). Des facteurs de mérite TE ZTmax = 0,8 (+ 30%) et ZTmax = 1,4 ( + 10%) ont été obtenus respectivement pour Co0,91Ni0,09Sb3 et Yb0,25Co4Sb12 / The thermoelectric materials (TE) offer the possibility to convert a heat flow into an electric current for recycling heat wasted for example, by our automobiles. AyFe4-xCoxSb12 skutterudites, (A = Ce, Yb, …, 0 ≤ y < 1; x < 4) are already good thermoelectric materials in the 400 – 800 K temperature range. To improve the Seebeck coefficient, nano-inclusions of InSb or GaSb (~ 50 nm) were introduced during the spark plasma sintering step in p type Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12. They did not led to expected charge carriers energy filtering and but led to the insertion of ~ 0.1 mol of indium or gallium in Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12 and to figure of merit improved by 20 % (ZTmax = 0.7) in both cases. To reduce the thermal conductivity and improve their TE performance, we have developed for n type Co0.91Ni0.09Sb3 et Yb0.25Co4Sb12 an ultrafine grained microstructure (~ 100 nm) by high energy milling and spark plasma sintering (SPS). To inhibit grain growth during sintering, we used nanoscale additives (10 – 20nm) either added ex-situ (CeO2, SiO2) or precipitated in-situ (Yb, Yb2O3). The figure of merit ZTmax = 0,8 (+ 30%) et ZTmax = 1,4 ( + 10%) were thus obtained respectively in Co0,91Ni0,09Sb3 and Yb0,25Co4Sb12

Cette thèse se concentre sur la caractérisation, la dispersion, ainsi que les différentes applications d'un nouveau type de matériaux dérivé de la dégradation de biométhane dans le cadre d'un projet Européen, le projet PlasCarb. Nous appelons ces matériaux les nanopalets de carbone (CNP). Notre étude commence avec la caractérisation des CNP, puis nous poursuivons avec l'obtention de dispersions aqueuses bien définies et hautement concentrées de CNP. Ces dispersions ont été utilisées pour la préparation de films conducteurs et de composites conducteurs avec du caoutchouc naturel. Enfin, la photoluminescence des CNP dispersés et solubilisés dans un milieu liquide a été évaluée. Des tests préliminaires montrent une photoluminescence dans le bleu très prometteuse. / This PhD thesis is focused on the characterization, dispersion and applications of graphitic material (in this manuscript referred as carbon nanopuck (CNP)) that derives from the splitting of biogas and obtained within the framework of the European project “PlasCarb”. This study starts with CNP characterization. Afterwards, well-defined, high concentrated CNP dispersions in water, calibrated insize have been obtained. These dispersions have been used to prepare conductive films and as components of conductive composites with natural rubber. Ultimately, the photoluminescence of CNP dispersed and dissolved in liquid media has been tested. Preliminary tests of these systems exhibit promising blue PL.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur la synthèse et les caractérisations thermiques et rhéologiques d’un nouveau type de nanofluide : le système Cu2O/Glycérol. La caractérisation est faite en fonction de la taille des particules mises en suspension, de la température et de la fraction volumique solide. Ce travail a nécessité la synthèse des nanoparticules et des nanofluides par la méthode de décomposition thermique des précuseurs organométalliques, qui présente un bon rendement en quantité de nanoparticules (17%). Et le montage d’un dispositif de caractérisation thermique utilisant la méthode 3ω. Finalement, nous avons passé à la caractérisation rhéologique et thermique de ces échantillons. Les résultats obtenus avec ce nouveau système sont intéressants, car l’augmentation de la conductivité thermique atteint des valeurs importantes : 120% et 35% respectivement pour des fractions volumiques aussi faibles que 0,625% et 0,078% de nanoparticules de 7 nm de diamètre, sans influence notable sur la viscosité du fluide hôte, permettant une bonne amélioration du bilan énergétique total. Nous avons observé que la concentration et la taille (surface) des nanoparticules sont des paramètres clefs du comportement de la conductivité thermique effective du nanofluide Cu2O/Glycérol. Nos mesures nous ont permis de déduire la prédominance des modifications de la surface des nanoparticules (par fonctionnalisation ou par réaction chimique secondaire) sur le mouvement brownien dans les transferts thermiques nanoparticules/ fluide hôte. / The work presented in this thesis involves the synthesis and thermal and rheological characterization of a new type of nanofluid : the Cu2O/glycerol system. The characterization was carried out as a function of the size of the particles in suspension, the temperature and the volume fraction of nanoparticles. The nanoparticles and nanofluids were synthesised by the thermal decomposition method, providing a good yield of nanoparticles (17%). Apparatus for thermal measurements using the 3ω method was constructed, and rheological and thermal characterization was carried out. Significant increases in thermal conductivity were observed : 120% and 35% for volume fractions as low as 0.625% and 0.078%, respectively, of 7-nm-diameter nanoparticles, without noticeable effect on the viscosity of the host fluid, leading to a considerable improvement in the energy content.We found that the concentration and surface area of the nanoparticles are key parameters influencing the behaviour of the effective thermal conductivity of the nanofluid. Surface modification of the nanoparticles by functionalization or secondary chemical reactions has a profound effect on the Brownian motion in the heat transfer between nanoparticles and fluid host.

Ce travail de thèse explore la capacité des ligands anilates d’être employés pour la préparation de nouveaux matériaux moléculaires fonctionnels avec des propriétés magnétiques et de conduction électrique. Les anilates, qui sont les dérivés du 2,5-dihydroxy-1,4- benzoquinone substitués sur les positions 3 et 6, ont été sélectionnés comme ligands puisque leurs caractéristiques électroniques et structurales, leurs modalités de coordination et leur capacité de médiation des interactions de super-échange magnétique en font d’excellents ligands pour la préparation de ces matériaux. Plusieurs ligands anilates ont été utilisés pour le design et la préparation d'une nouvelle classe de complexes paramagnétiques octaédriques tris-chélates de formule générale [MIII(X2An)3]3- (MIII = Cr, Fe; X = Cl, Br, I, H, Cl/CN, An = C6O4 2- = anilate). Ces complexes métalliques paramagnétiques ont été complètement caractérisés et utilisés comme briques moléculaires pour la préparation de i) une nouvelle classe de ferriaimants moléculaires, dans laquelle la modification des substituants sur le ligand permet de modifier les interactions entre les centres métalliques, et, par conséquent, les propriétés magnétiques, ii) des conducteurs paramagnétiques moléculaires obtenus par combinaison avec le donneur organique BEDT-TTF, iii) une série de conducteurs moléculaires chiraux obtenus par combinaison du donneur organique TM-BEDT-TTF avec des couches hétéro-bimétalliques anioniques obtenues par association in situ de complexes tris(chloranilate)ferrate(III) et des ions potassium. En outre, ont été synthétisés de nouveaux dérivés anilates avec des propriétés electroactives et de luminescence, afin de démontrer la capacité du motif anilate d’être fonctionnalisé avec différents substituants comme porteurs de propriétés physiques spécifiques. / This work explores the potential of anilate-based ligands in the synthesis of new rational designed functional molecular materials exhibiting improved magnetic and conducting properties. Anilates, namely 3,6-disubstitued 2,5-dihyroxy-1,4- benzoquinones in their dianionic form, have been selected as ligands since their electronic/structural features, coordination modes and ability to mediate magnetic exchange interactions between coordinated metal centers make them potential candidates for the preparation of theabove-mentioned materials. Various anilate derivatives have been used for the preparation of a family of rationally designed tris-chelated octahedral paramagnetic metal complexes of general formula [MIII(X2An)3]3- (MIII = Cr, Fe; X = Cl, Br, I, H, Cl/CN, An = C6O4 2- = anilate). These paramagnetic metal complexes have been thoroughly characterized and used, in turn, as molecular building blocks for the preparation of i) a family of molecule-based magnets, where subtle changes in the nature of the substituents on the anilate moiety were employed as “adjusting screws” in tuning the magnitude of the magnetic interaction between the metals, and thus, the magnetic properties, ii) hybrid paramagnetic molecular conductors in combination with the BEDT-TTF organic donor, iii) a complete series of isostructural chiral molecular conductors obtained by combining the TMBEDT- TTF chiral donor with 2D heterobimetallic anionic layers obtained in situ by the self-assembling of tris (chloranilato)ferrate(III) metal complexes and potassium cations.Moreover, novel anilate derivatives showing electroactive and luminescent properties have been further synthesized, highlighting the versatility of the anilate moiety to be functionalized with suitable substituents carrying selected physical properties.

La photocatalyse se base sur l’excitation d’un semi-conducteur par des photons d’énergie supérieure ou égale à son gap, générant des paires électron-trous. Celles-ci sont très réactives et susceptibles de réagir à l’interface pour réaliser par exemple l’oxydation totale d’un composé organique. Cette méthode peut être appliquée sur des eaux usées pour éliminer totalement les polluants organiques qui y sont présents. Dans la perspective d’une utilisation du soleil comme source de lumière, cette méthode peut s’avérer très économique et écologique pour le traitement de l’eau.L’interaction lumière-semi-conducteur et la dynamique des porteurs de charge sont des processus physico-chimiques primordiaux pour la photocatalyse, et il est nécessaire de bien les comprendre pour maîtriser le procédé et développer des matériaux plus efficaces. La Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) est une technique qui se base sur la réflexion des micro-ondes sur un semi-conducteur excité qui est directement reliée avec le nombre de porteurs de charge photo-générés. Il s’agit d’un moyen de sonder en temps réel la dynamique des porteurs de charge dans les semi-conducteurs.Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet ANR PhotoNorm. Il consiste en une étude par TRMC de dioxyde de titane TiO2 utilisé pour la dépollution de l’eau par photocatalyse. Une partie de cette étude concerne la caractérisation des propriétés opto-électroniques des matériaux, pour lesquels la dynamique des porteurs de charge sera comparée à l’activité photocatalytique. L’effet bénéfique en photocatalyse de la déposition de nanoparticules d'or, d'argent ou bimetallique or-cuivre sur des TiO2 commerciaux sera relié à une capture d’électrons libres observée en TRMC. L’effet bénéfique sur la photocatalyse en lumière visible a été relié à une injection d’électrons dans le TiO2 par des nanoparticules de bismuth. L’autre partie de ce travail consiste en une étude plus fondamentale de la dynamique des porteurs de charge dans des TiO2 commerciaux ou synthétisés dans le cadre du projet PhotoNorm. Il y sera montré l’importance de la longueur d’onde et de l’intensité d’excitation du matériau sur le rendement de génération de porteurs de charge. L’importance des effets de surface et de l’environnement seront aussi mis en évidence de plusieurs façons. La première consiste simplement en un traitement chimique de la surface (lavage), qui peut avoir une grande influence à la fois sur la dynamique des porteurs de charge et sur la photocatalyse, sûrement en lien avec la présence d’impuretés de surface. La seconde consiste à imprégner le TiO2 par des colorants organiques présentant une forte absorption en lumière visible. Les mesures de TRMC sur ces systèmes permettent de mettre en évidence l’interaction entre le semi-conducteur et les molécules extérieures adsorbées à sa surface, notamment l’injection d’électrons du colorant excité vers le semi-conducteur, mais aussi des effets de recombinaison accrus. La troisième méthode consiste à modifier l’atmosphère de travail en TRMC. Il y est observé notamment l’importance de l’oxygène sur la dynamique des porteurs de charge, et notamment les effets de captures d’électrons, phénomènes qui entrent en jeu dans le processus de photocatalyse.Au final, la TRMC s’avère être un bon moyen d’étude de la durée de vie des porteurs de charge dans les semi-conducteurs, qui peut permettre de mieux comprendre les processus fondamentaux associés à la photocatalyse. / The photocatalysis is based on the excitation of semiconductor by photons with an energy superior or equal to the gap, generating electron-hole pairs. These are very reactive and able to react at the interface, involving for exemple the total oxidation of an organic compound. This method can be used on wastewater to eliminate the organic pollutants. With a view to use the sun as a light source this method may become an economical and ecological way for the water treatment. Light interaction between light and semiconductor and the charge-carrier dynamics are fundamental processes for photocatalysis and it is necessary to understand them in order to manage with this process and develop more efficient materials. The Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) is a method based on the reflexion of microwaves on an excited semiconductor which is linked to the number of photo-generated charge-carriers. This method allows us to probe in real time the charge-carrier dynamics in semiconductor. This work is included in the ANR Photonorm project. It consists in a TRMC study on titanium dioxyde TiO2 used for water depollution by photocatalysis. One part of this study consists in the characterization of the opto-electronic properties of materials for which the charge-carrier dynamics will be compared with the photocatalytic activity. The beneficial effect of nanoparticles deposition of gold, silver or gold-copper bimetallics on commercial TiO2 will be linked to the observation of free electrons observed by TRMC . The beneficial effect on photocatalysis in visible light was linked to an electron injection in TiO2 by bismuth nanoparticles. The second part of this work consists in a more fundamental study of charge-carrier dynamics on commercial or synthetized for the Photonorm project. I will be shown the importance of excitation wavelength and intensities on charge carrier generation. The importance of surface effect and environment will be emphasized by several ways. The first one just consist in surface treatment which can have a major importance on charge-carrier dynamics and photocatalysis, probably in connection with the presence or not of impurities on the surface. The second way consists in impregnating TiO2 by organic dyes which show a strong visible light absorption. The TRMC measurements highlight the interaction between the adsorbed molecules and the semiconducteur, including the electron injection from the excited dye to the TiO2 but also an increased recombination effect. The third method consist in modified the working atmosphere in TRMC. The major role of oxygen is so observed on charge-carrier dynamics, with an effect of electron capture, involving in photocatalytic mechanism.Finally TRMC proves to be a convenient method for studying charge-carrier dynamics in semiconductors, which allow a better understanding of fundamental processes bound to photocatalysis.

Les matériaux à électrons fortement corrélés comptent parmi les systèmes les plus intrigants en raison de la richesse de leurs propriétés remarquables découvertes au cours de ces dernières décen nies telles que la supraconductivité haute Tc, la magnétorésistance colossale ou les conducteurs organiques. Lors de cette thèse, deux types de matériaux fortement corrélés récents ont été étudiés la quadruple pérovskite EuCu3fe4O12 et les conducteurs organiques type {Au(Et-thiazdt)2]. Le premier système présente une transition métal isolant à basse température (240K) tandis que le second transite isolant de MoU - métal sous pression. Grâce à des mesures de microspectroscopie infrarouge en conditions extrêmes, nous avons pu sonder l’électrodynamique de basse énergie de ces composés. Des calculs ab-initio de structure électronique nous ont alors permis de comprendre les mécanismes à l’origine des observations et de mieux connaître le rôle des corrélations électroniques. / Materials with strongly correlated electrons belong to the most intriguing systems in condensed matter physics due to their great variety of properties discovered during the last decades such as high temperature superconductivity, molecular conductors and colossal magnetoresistance. During this thesis, two types of strongly correlated materials have been studied: the quadruple perovskite EuCu3fe4Oi2 and the molecular conductors [Au(Et-thiazdt)2J. EuCu3Fe4Oi2 undergoes a metal to insulator transition at low temperature (240K), and [Au(Et-thiazdt)2J goes from a Mott insulator to a correlated metal state under high pressure. Infrared microspectroscopy measurements allowed us to probe the low energy electrodynamic of these systems. Ab-initio calculations were also used to understand the mechanisms of the transitions and the role of electronic correlations in the material.