Ce travail est dédié à l’étude de l’encapsulation de molécules organiques photoactives dans des nanotubes de carbone mono-feuillets. L’effet de confinement sur les propriétés vibrationnelles , structurales, et les interactions entre les sous-systèmes est étudié en fonction de la taille des nanotubes. La première partie du manuscrit est consacrée à l’étude du confinement de diméthylquaterthiophènes dans les tubes. La dynamique vibrationnelle des molécules confinées est étudiée par diffusion inélastique des neutrons et par des simulations DFT. L’étude des interactions entre les deux sous-systèmes, en termes de transfert d’énergie et de transfert de charge, est réalisée en combinant des études de photoluminescence et de Raman. La nature des transferts de charge dépend de la taille du nanotube. Pour des tubes de petits diamètres (<1.1nm), un transfert de charge photo-induit est obtenu lorsque la longueur d’excitation correspond à l’absorption de la molécule. La deuxième partie est dédiée à l’étude de l’organisation structurale de molécules de phtalocyanine encapsulées à l’intérieur des nanotubes. Ce travail combine des études expérimentales par diffraction neutronique et spectroscopie Raman à pression ambiante et sous hautes pressions. Les études structurales sont confrontées à des simulations par dynamique moléculaire. / This work is dedicated to the study of the encapsulation of photoactive molecules within single wall carbon nanotubes. The confinement effect on vibrational, structural and interactions between host and guest is studied as a function of nanotube size. The first part of the manuscript is dedicated to the confinement of dimethyl quaterthiophene within carbon nanotubes. Vibrational dynamics for the encapsulated molecules is studied coupling neutron scattering and DFT simulations. Interactions molecule/nanotube, in terms of energy transfer and charge transfer are studied combining photoluminescence and Raman spectroscopies. The nature of charge transfers depends on the size of the nanotube. For small diameters (>1,1nm) a photoinduced charge transfer is obtained when the excitation wavelength matches the absorption of the molecule. The second part of the manuscript focuses on the structural organization of encapsulated phthalocyanine molecules. This work combines neutron diffraction and Raman spectroscopy experimental studies at room and high pressures. Structural studies are discussed together with molecular dynamics simulations.

Selon l’hypothèse d’idéalité de Flory, les chaînes de polymères flexibles à l’état fondu se présentent sous la forme de marches aléatoires à trois dimensions, aussi appelées pelotes gaussiennes. Cette hypothèse suppose que toute information relative à la conformation locale subit une décroissance exponentielle le long de la chaîne principale et, par conséquent, n’a aucune influence sur la conformation à grande échelle. De plus, il est avancé que l’écrantage du volume exclu par les chaînes voisines compense tout effet de gonflement. Des expériences de diffusion neutronique (DN) effectuées il y a une trentaine d’années confirment que les polymères adoptent bien des configurations gaussiennes. S’ensuit l’un des piliers de la théorie des polymères : En solution ”suffisamment dense” tout polymère flexible peut être décrit comme une marche aléatoire à trois dimensions, indépendamment de sa structure chimique, et ce, après un rééchelonnage adéquat. Les progrès réalisés dans les domaines des techniques de simulation et de la puissance informatique ont rendu possible l’étude de chaînes très longues. Ceci a permis d’observer de plus près la structure des chaînes de polymère à l’état fondu et révélé une déviation par rapport à la chaîne idéale. Jusqu’à présent, la déviation par rapport à la structure gaussienne a uniquement été étudiée dans le cas de modèles à gros grains, par simulation et calcul analytique. La présente thèse cherche à vérifier si ces déviations peuvent également être mesurées à l’aide de simulations atomistiques réalistes et d’expériences de DN modernes. / The Flory ideality hypothesis states that flexible polymer chains in a melt assume the shape of three-dimensional random walks leading to so called Gaussian coils. The basis of this hypothesis is that any local conformational information decays exponentially along the chain backbone and thus has no influence on the long range conformation. Additionally it is argued that the excluded volume shielding of neigbor chains cancels out any swelling effects. Neutron scattering (NS) experiments dating back 30 years confirm the postulated Gaussian coil shape of polymers. This leads to a pillar of polymer theory: Any flexible polymer can be described as a three-dimensional random walk. Advances in simulation technics and computing power have opened the door to the possibility of studing very long chains. This allowed for a closer look at the chain structure of polymer melts and revealed deviations from ideality. This deviation is very slight and thus great care must be taken to distinguish it from noise. So far the deviation from the Gaussian coil structure was only studied for coarse-grained models. The scope of this thesis is to explore if these deviations are also measurable in atomistically realistic simulations and modern day NS experiments.

Les cristaux para'electriques quantiques sont des<br />di'electriques qui devraient ?etre ferro'electriques<br />en dessous de la temp'erature de Curie­Weiss Tc .<br />Que se passe­t­il ? A basse temp'erature, les<br />fluctuations ferro'electriques sont contr?ol'ees par<br />un mode de vibration transverse optique (TO),<br />dit ferro'electrique qui devient mou (sa fr'equence<br />diminue) au centre de la zone de Brillouin lorsque<br />la temp'erature d'ecro?it. Mais pour T ! T q ¸ Tc ,<br />le fort mouvement quantique de point z'ero de l'ion<br />central (Ta dans KTaO3) emp?eche la condensation<br />du mode ferro'electrique, dont la fr'equence se sta­<br />bilise `a basse 'energie. La constante di'electrique<br />ffl sature `a une tr`es grande valeur, et un fort cou­<br />plage avec le mode transverse acoustique devient<br />visible.<br />En 1991, K.A. M¨uller, d'apr`es une 'etude RPE,<br />envisage une transition de phase d'un nouveau<br />type dans ces mat'eriaux. B. Hehlen et E.<br />Courtens s'int'eressent alors aux propri'et'es basses<br />fr'equences du SrTiO3 et du KTaO3 . Les 'etudes<br />de diffusion neutronique, mais surtout Brillouin,<br />montrent alors, parmi les nombreuses anomalies,<br />une nouvelle excitation tr`es basse fr'equence, qu'ils<br />attribuent au second son, la propagation ondula­<br />toire de la chaleur.<br />Ce travail pr'esente des r'esultats originaux<br />obtenus en diffusion neutronique et Brillouin `a<br />basse temp'erature (5­300 K). Une param'etrisation<br />des nappes de phonons dans KTaO3 a servi de<br />base au calcul de la largeur normale des phonons,<br />de la vitesse th'eorique du second son, dans le cas<br />o`u il serait effectivement observable, et du spectre<br />complet de diffusion Brillouin par des processus de<br />diff'erence de deux phonons. La comparaison des<br />simulations avec l'exp'erience montre un bon ac­<br />cord pour le calcul des largeurs et des nappes, et le<br />processus physique observ'e en spectroscopie Bril­<br />louin est probablement celui de diff'erence de deux<br />phonons. Les diff'erents aspects de la dynamique<br />des phonons basse fr'equence peuvent ?etre unifi'es<br />au sein d'une th'eorie de diffusion Brillouin au sec­<br />ond ordre.<br />Mots clefs : phonons, para'electriques quan­<br />tiques, second son, anharmonicit'e, diffusion neu­<br />tronique, spectroscopie Brillouin, mod'elisation et<br />simulation num'erique, KTaO3 , SrTiO3 .

Cette thèse porte sur l'utilisation de plusieurs techniques de diffusion de neutrons polarisés pour la conduite d'expériences de diffraction et de spectroscopie inélastique à haute résolution. Nous décrivons de façon exhaustive l'option à écho de spin neutronique résonant ZETA, installée sur le spectromètre triple axe thermique CRG IN22 à l'Institut Laue Langevin. Grâce à elle, nous étudions la structure nucléaire et la dynamique de spin de plusieurs systèmes modèles. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la série BaM2(XO4)2 (M = Co, Ni; X = As, P) dont les membres sont de bons exemples de systèmes magnétiques quasi-bidimensionnels. L'effet de la mise en ordre magnétique sur leurs paramètres de maille est révélé par diffraction de Larmor. De plus, nous montrons que l'évolution thermique de la durée de vie du mode de magnon optique dans BaNi2(PO4)2 est fortement affecté par la présence de défauts dans sa structure. Ensuite, nous abordons le composé à chaînes et échelles de spin 1/2 Sr14Cu24O41. Nous nous focalisons d'abord sur l'étude du pic inélastique associé au gap de spin des échelles et présentons une méthode capable de montrer de façon directe la dégénérescence de la transition concernée. Ensuite, nous évaluons sa largeur énergétique intrinsèque et observons l'effet des différentes mises en ordre de charge sur la structure cristallographique du matériau. Finalement, nous adaptons l'instrumentation disponible pour mener des expériences de réflectométrie résolues en temps, par le biais de la méthode MIEZE, sur une multicouche magnétique pouvant posséder des propriétés intéressante pour des applications en spintronique / This thesis is mainly concerned with the use of several polarized neutron scattering techniques for carrying high resolution diffraction and inelastic spectroscopy experiments. We describe exhaustively our neutron resonant spin-echo option ZETA, installed on the thermal triple-axis spectrometer CRG IN22 at Institut Laue Langevin. Through it, we study the nuclear structure and spin dynamics of several model systems. First, we are interested in the BaM2(XO4)2 (M = Co, Ni; X = As, P)-family which members are good prototypes of quasi-2D magnetic systems. The effect of magnetic ordering on lattice constants is revealed thanks to Larmor diffraction. Moreover, we show that the thermal evolution of optic magnon lifetime in BaNi2(PO4)2 is strongly affected by the presence of defects in its structure. Then, we address the spin-chain and -ladder compound Sr14Cu24O41. We first focus on the study of the inelastic peak associated with the spin gap in the ladders spectrum and introduce a method capable of showing directly the degeneracy of the associated spin transition. We also evaluate its intrinsic linewidth and observe the effect of different charge ordering process on the material crystallographic structure. Ultimately, we adapt our instrumentation to perform time-resolved reflectometry experiments on a magnetic multilayer which can possess interesting properties for spintronics applications, through the so-called MIEZE technique.