Les semiconducteurs dopés avec des ions magnétiques (DMS) sont des matériaux prometteurs pour des applications dans le domaine émergent de la spintronique. Pour relever ce défi, une grande quantité d'impuretés magnétiques devraient entrer dans le cristal de la structure d'accueil sans séparation de phase, donc une caractérisation détaillée à l'échelle nanométrique est obligatoire. La spectroscopie d'absorption des rayons X est une technique bien adaptée pour sonder l'ordre locale, de manière à comprendre les mécanismes responsables de la spécificité des propriétés physiques de ces matériaux. Le point de départ de cette étude est le bien connu GaAs dopés avec Mn où la présence de défauts de Mn interstitiel réduit la température de transition ferromagnétique (T_C) et des traitements après croissance sont nécessaires en tant que remède. Un nouveau matériau prometteur c'est le GaN dopé Fe, présentant des propriétés magnétiques intéressantes quand dopé autour de la limite de solubilité du Fe. Dans ce cas, la question clé est la transition du Fe substitutionel à la précipitation en nano-cristaux riches en Fe, en passant par des conditions de décomposition spinodale. En effet, on observe que la T_C est augmentée considérablement par l'exploitation de la décomposition spinodale comme le montre le cas du Mn dans le Ge où il y a la création de nano-colonnes ferromagnétiques riches en Mn présentant un caractère de structure locale désordonnée dans un hôte cristallin. Enfin, les premières données de l'incorporation du Mn dans les nano-fils de GaAs et InAs sont enregistrées. Ces systèmes sont appelés à jouer un rôle clé dans la fabrication de dispositifs DMS à une dimension.

Cette thèse a pour but d'étudier l'environnement électronique et structural du chrome en substitution de l'aluminium dans des cristaux isolants cubiques, et de discuter son influence sur la variation du champ cristallin. Nous avons combiné des spectroscopies sélectives du chrome (EXAFS et XANES au seuil K), une approche ab initio (calculs de minimisation d'énergie et de spectres XANES) et une approche multiélectronique (simulation du dichroïsme linéaire naturel des rayons X). Des développements théoriques ont été effectués puis appliqués au cas de la section efficace d'absorption X, afin d'extraire les propriétés spectroscopiques d'un site individuel à partir de celles du cristal cubique.<br /><br />L'environnement structural relaxé autour du Cr a été déterminé pour le spinelle MgAl2O4:Cr3+ (rouge) et pour les grenats pyrope Mg3Al2Si3O12:Cr3+ (rouge) et grossulaire Ca3Al2Si3O12:Cr3+ (vert). La sphère de coordination du Cr est voisine de celle observée dans le pôle pur chromifère correspondant (MgCr2O4, Mg3Cr2Si3O12 et Ca3Cr2Si3O12, respectivement), du point de vue des distances interatomiques et de la symétrie locale. La variation de la distance moyenne Cr-O joue un rôle important dans celle du champ cristallin, mais ne permet pas d'expliquer à elle seule l'évolution du celui-ci au sein des solutions solides, entre les cristaux dilués et entre les cristaux concentrés. Nous montrons que la nature de la liaison Cr-O est un facteur important et que l'environnement à moyenne distance autour du chrome exerce une influence sur ses propriétés spectroscopiques. En particulier, les deuxièmes voisins ont un effet privilégié sur la distance Cr-O et la nature de cette liaison.

Une approche multi-technique et multi-échelle a été élaborée pour l'étude des propriétés structurales des matériaux hétérogènes. Différentes techniques ont été utilisées parmi lesquelles nous pouvons citer : La microscopie Electronique à Balayage Environnementale équipé en microanalyse X, la Diffraction des Rayons X, la spectroscopie d'absorption X (EXAFS et XANES) et la Résonance Magnétique Nucléaire. La corrélation entre les résultats obtenus à différentes échelles (grandes, moyennes et courtes distances) nous a permis d'avancer dans la compréhension des mécanismes de l'altération structurale d'un granulat SiO2 soumis à la réaction Alcali-Silice. A grandes distances, les changements structuraux apparaissent par la réduction de la taille des grains et par la formation d'une phase amorphe, accompagnée d'un accroissement de la cristallinité de la phase cristallisée. Cela a permis de montrer que l'attaque se déroule préférentiellement dans les zones amorphes et/ou mal cristallisées. D'après la RMN, la phase amorphe formée durant la réaction est constituée d'un mélange de silanols et de silice amorphe. Ce produit, à la composition variable en fonction du temps de réaction, apparaît favorable à la formation de gels de type CSH dans le granulat. A courtes distances, la première couche de coordination autour des atomes de silicium montre un accroissement de l'ordre dans les tétraèdres. Ce phénomène pourrait être dû à la relaxation des liaisons Si-O. Ce résultat est en accord avec la présence de silice amorphe, et le phénomène pourrait être accentué par la présence de silanols. La deuxième couche de coordination autour du silicium demeure presque inchangée. Ces résultats permettent de relancer la discussion sur la validité du déroulement de l'étape d'initiation de la réaction.

La synthèse de nanoparticules d'oxydes de titane par pyrolyse laser est étudiée dans ce mémoire. Cette technique de synthèse en voie gaz originale nous permet de modifier de manière souple les conditions de réaction et d'obtenir en une seule étape de synthèse des nanoparticules de taille, composition chimique et structure cristallographique contrôlées.Lors de cette étude, deux voies ont été envisagée afin de synthétiser des nanoparticules d'oxydes de titane présentant une absorption dans le domaine du visible. D'une part la synthèse de dioxyde de titane (TiO2) dopé azote et d'autre part, la synthèse d'oxydes de titane moins oxydés que le TiO2.Premièrement, la synthèse de nanoparticules de dioxyde de titane est réalisée grâce à l'utilisation du tetraisopropoxyde de titane comme précurseur. La pyrolyse laser nous permet de contrôler la phase de TiO2 obtenue, anatase ou rutile. Puis, en employant l'ammoniac comme dopant, nous avons pu synthétiser du TiO2 anatase dopé azote, présentant une absorption dans le visible.Deuxièmement, en modifiant les paramètres de synthèse, il a été possible de synthétiser des phases de Magnéli sous forme de nanoparticules, présentant également une absorption dans le visible. Il a également été possible d'obtenir à pression atmosphérique la phase TiO2-II, qui est une phase haute pression du TiO2, par oxydation d'une des phases de Magnéli. Troisièmement, en employant l'effet réducteur de l'ammoniac nous avons réussi à synthétiser des nanoparticules d'oxynitrures de titane Ti(O,N). Une étude poussée par diffraction de rayons X, spectroscopie d'absorption des rayons X, spectroscopie de photoélectrons X, spectroscopie de perte d'énergie électronique ainsi qu'une étude en température, nous ont permis de bien caractériser la structure de cette phase peu commune. De plus, les propriétés optiques se sont révélées très intéressante, puisque le matériau subit une transition métal/semi-conducteur selon son oxydation et présente une absorption très importante dans la région du visible.Enfin, les nanoparticules de TiO2 et de TiO2 dopées azote ont été employées pour l'élaboration de cellules solaire tout solide à colorant organique. Les premiers résultats montrent d'une part que la morphologie des ces nanoparticules est adaptée à leur emploi pour ce type de dispositifs, avec des rendements proche de l'état de l'art mondial. Et d'autre part, que le dopage à l'azote permet de collecter une quantité de photons plus importante grâce au domaine d'absorption de ces nanoparticules et de générer une densité de courant plus élevée.

<p>Crystallographic and spectroscopic studies have been performed of structures, coordination and chemical bonding for series of trivalent metal ions solvated by two oxygen-coordinating solvents, water and dimethyl sulfoxide (DMSO). The hydrated scandium(III) and lanthanoid(III) ions, La to Lu, are surrounded by tricapped trigonal prisms of aqua ligands in the isomorphous series of trifluoromethanesulfonates, [M(H₂O)_n](CF₃SO₃)₃. For the smallest ions, M = Er, Tm, Yb, Lu, Sc, the hydration numbers decrease, <i>n</i> = 8.96(5), 8.8(1), 8.7(1), 8.5(1), 8.0(1), respectively, with decreasing size of the ion. The crystal structures at ambient temperature indicate randomly distributed vacancies of the capping oxygen atoms, and ²H solid-state NMR of the diamagnetic [M(H₂O)_n](CF₃SO₃)₃, M = Sc, Lu, Y and La compounds revealed increasing mobility of the water ligands in the coordination sphere with increasing temperature, also for the fully nonahydrated La^III and Y^III ions. The stretching force constants of the Ln-O bonds, evaluated from vibrational spectroscopy, increased from 0.81 to 1.16 N cm^-1 for the Ln-6O trigonal prism in a smooth correlation with the bond distances from La to Lu. For the capping Ln-3O bonds the increase from 0.49 to 0.65 N cm^-1 reflects the increased ligand-ligand repulsion with decreasing ion size. This is also the reason for the water deficiency of the Er, Tm, Yb, Lu and Sc salts, and for [Sc(H₂O)_8.0](CF₃SO₃)₃ the repulsion induced a phase transition at about 185 K that, by low temperature crystallography, was found to distort the coordination of water molecules toward a monocapped trigonal prism around the scandium(III) ion.</p><p>All crystal structures of the octakis(dimethyl sulfoxide)lanthanoid(III) iodides comprise discrete [Ln(dmso)₈]³⁺ complexes surrounded by iodide ions. The lanthanum(III) and praseodymium(III) compounds crystallize in the orthorhombic space group <i>Pbca</i> with more efficient packing than for the heavier and smaller ions in the lanthanoid series, which crystallize in the monoclinic space group <i>P2</i>₁/<i>n</i>. The group 13 metal ions, aluminium(III), gallium(III), indium(III), thallium(III), and also scandium(III) of group 3, form crystalline hexakis(dimethyl sulfoxide) solvates in the space group <i>R</i> 3, with octahedral MO₆ coordination entities, which are increasingly compressed along one threefold axis for increasing ionic size. EXAFS measurements on the solvated ions display similar M-O bond distances in dimethyl sulfoxide solution as in the solid solvates. For all the solid dimethyl sulfoxide solvates the strength and nature of the metal-oxygen bond has been evaluated by normal coordinate analysis of vibrational spectra, and correlated with the S-O stretching vibrational mode.</p><p>Distortions from regular octahedral six coordination are discussed for the hydrated isoelectronic soft mercury(II) and thallium(III) ions in the solid bisaquamercury(II) and trisaquatallium(III) trifluoromethanesulfonates, in terms of pseudo Jahn-Teller effects (PJTE). Mercury(II), generally more strongly influenced by PJTE distortions, displays a 2 + 4 Hg-O coordination forming chains that are held together in sheets by hydrogen bonds and in layers by van der Waals interactions, which explain the fragile structure of the crystals.</p>

Les ExoPolySaccharides (EPS) bactériens constituent une fraction réactive du sol vis-à-vis des Eléments Traces Métalliques (ETM). Le système xanthane-cuivre est étudié comme modèle de complexation des ETM par les EPS. L'étude à l'échelle macroscopique, par titrages acido-basiques, détermine les valeurs des pKa du xanthane (pKmoyenI=0.1M=2.5) et propose un modèle électrostatique à condensateur cylindrique pour expliquer les variations de pKa en fonction de la force ionique. Les titrages en présence de cuivre et isothermes d'adsorption montrent un résultat inédit : le xanthane adsorbe plus de cuivre à pH3.5 qu'à pH5.5. Les valeurs des constantes apparentes de complexation valent LogKCu-XanpH3.5=3 et LogKCu-XanpH5.5=2.6. Les résultats de dichroïsme circulaire suggèrent un changement conformationnel du xanthane pH-dépendant. Un modèle thermodynamique à deux états (xanthane désordonné à pH<5 vs ordonné à pH>5), couplé aux données pKa et LogKCu, permet de reconstruire dèlement les données expérimentales. L'étude à l'échelle moléculaire par modélisation moléculaire (MM) montre que la structure désordonnée de l'EPS à pH3 favorise la formation de complexes chelatants très stabilisants entre deux chaînes latérales du xanthane et Cu2+. A contrario, à pH5.5 en (structure hélices ordonnées) ce sont les sites complexants simples, moins stabilisants pour le cuivre, qui prédominent. Les résultats d'EXAFS et leur modélisation MM conrment la plus forte anité du cuivre pour le xanthane à pH3 qu'à pH5.5. Cette étude montre l'importance de la conformation des EPS dans leur capacité à xer les ETM, et l'intérêt de l'outil MM pour la compréhension de ces phénomènes à l'échelle moléculaire.

Le risque chimique associé à la présence de métaux lourds dans les sols dépend de leur mobilité, et en conséquence de leur forme chimique. La spéciation du zinc, du plomb et du manganèse dans plusieurs sols contaminés a été étudiée en combinant la spectroscopie EXAFS, la diffraction des rayons X, des extractions chimiques et des fractionnements physiques. Le résultat le plus important de ce travail concerne la mise en évidence de la fixation du zinc et du plomb par les phyllomanganates et les silicates. Dans le cas d'une contamination par des boues d'épandage issues d'une station d'épuration, il a été montré que dans la boue 70% du zinc était présent sous forme de sphalérite et 30% dans des composés oxygénés. Le manganèse est présent sous forme de manganate. Dans le sol contaminé par cette boue, la sphalérite est oxydée et 80% du zinc est alors lié à un phyllomanganate, la chalcophanite (ZnMn307.3H20). Le second sol étudié contient des nodules siliceux millimétriques enrichis en éléments métalliques. La forme hexagonale de la birnessite, qui appartient également à la famille des phyllomanganates, a été identifiée dans les nodules. Ce minéral fixe 100% du plomb et environ 80% du zinc, le reste étant associé aux argiles. Dans les autres sols étudiés, le zinc est majoritairement associé aux argiles quelle que soit la nature de la contamination (solvants organiques et résidus de distillation, sous-produits de fonderies plomb-zinc et résidus de dragage de canaux). A l'endroit où la pollution est la plus forte, deux silicates de zinc purs, l'hémimorphite et la willémite, ont été identifiés.

Crystallographic and spectroscopic studies have been performed of structures, coordination and chemical bonding for series of trivalent metal ions solvated by two oxygen-coordinating solvents, water and dimethyl sulfoxide (DMSO). The hydrated scandium(III) and lanthanoid(III) ions, La to Lu, are surrounded by tricapped trigonal prisms of aqua ligands in the isomorphous series of trifluoromethanesulfonates, [M(H2O)n](CF3SO3)3. For the smallest ions, M = Er, Tm, Yb, Lu, Sc, the hydration numbers decrease, n = 8.96(5), 8.8(1), 8.7(1), 8.5(1), 8.0(1), respectively, with decreasing size of the ion. The crystal structures at ambient temperature indicate randomly distributed vacancies of the capping oxygen atoms, and 2H solid-state NMR of the diamagnetic [M(H2O)n](CF3SO3)3, M = Sc, Lu, Y and La compounds revealed increasing mobility of the water ligands in the coordination sphere with increasing temperature, also for the fully nonahydrated LaIII and YIII ions. The stretching force constants of the Ln-O bonds, evaluated from vibrational spectroscopy, increased from 0.81 to 1.16 N cm-1 for the Ln-6O trigonal prism in a smooth correlation with the bond distances from La to Lu. For the capping Ln-3O bonds the increase from 0.49 to 0.65 N cm-1 reflects the increased ligand-ligand repulsion with decreasing ion size. This is also the reason for the water deficiency of the Er, Tm, Yb, Lu and Sc salts, and for [Sc(H2O)8.0](CF3SO3)3 the repulsion induced a phase transition at about 185 K that, by low temperature crystallography, was found to distort the coordination of water molecules toward a monocapped trigonal prism around the scandium(III) ion. All crystal structures of the octakis(dimethyl sulfoxide)lanthanoid(III) iodides comprise discrete [Ln(dmso)8]3+ complexes surrounded by iodide ions. The lanthanum(III) and praseodymium(III) compounds crystallize in the orthorhombic space group Pbca with more efficient packing than for the heavier and smaller ions in the lanthanoid series, which crystallize in the monoclinic space group P21/n. The group 13 metal ions, aluminium(III), gallium(III), indium(III), thallium(III), and also scandium(III) of group 3, form crystalline hexakis(dimethyl sulfoxide) solvates in the space group R 3, with octahedral MO6 coordination entities, which are increasingly compressed along one threefold axis for increasing ionic size. EXAFS measurements on the solvated ions display similar M-O bond distances in dimethyl sulfoxide solution as in the solid solvates. For all the solid dimethyl sulfoxide solvates the strength and nature of the metal-oxygen bond has been evaluated by normal coordinate analysis of vibrational spectra, and correlated with the S-O stretching vibrational mode. Distortions from regular octahedral six coordination are discussed for the hydrated isoelectronic soft mercury(II) and thallium(III) ions in the solid bisaquamercury(II) and trisaquatallium(III) trifluoromethanesulfonates, in terms of pseudo Jahn-Teller effects (PJTE). Mercury(II), generally more strongly influenced by PJTE distortions, displays a 2 + 4 Hg-O coordination forming chains that are held together in sheets by hydrogen bonds and in layers by van der Waals interactions, which explain the fragile structure of the crystals.

Acid/base and metal ion adsorption properties have been investigated for a range of chemically modified bleached Kraft fibre materials (pulps). The studies were performed via potentiometric titrations, Flame Atomic Absorbtion (and Emission) Spectroscopy, Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy and Extended X-ray Absorbtion Fine Structure measurements. As a result of a chemical modification procedure, the total concentration of acidic carboxylate groups in the fibre materials ranged between 43 and 590 μmol/g. The preferable surface potential model for modelling the ionic strength dependent acid/base properties of fibre materials with low charge densities, i.e. unmodified fully bleached Kraft fibre materials, was found to be the Basic Stern Model. For fibre materials with high total charge, ≳100 μmol/g, this model resulted in poor fits to data, and for such materials a number of Constant Capacitance Models, one at each ionic strength, must be recommended. With respect to metal ion adsorption, the results have indicated that the unspecific Donnan theory could correctly model the simultaneous adsorption of several metal ions, i.e. K+, Na+, Mg2+, Ca2+ and Cu2+, provided that the salt concentration in the fibre suspension is low. In suspensions of high salt concentration it was, however, found that this very same model strongly underestimated the adsorption of Ca2+ and Cu2+. Here, the Donnan model had to be complemented by specific ion exchange equilibria. These results were corroborated by spectroscopic evidence of specific interactions between Cu2+-ions and fibres. The spectroscopic indication of a complex formed between two fibre surface carboxylate groups and one Cu2+-ion, agree with the specific ion exchange model. It was therefore concluded that specific metal ionfibre interactions cannot be neglected, especially at high salt concentrations. The interactions occurring between the polycation GaO4Al12(OH)24(H2O)127+ and fibre materials were studied by both adsorption and spectroscopic measurements. These indicate that GaO4Al12(OH)24(H2O)127+ is surprisingly stable in fibre suspensions and that intact GaO4Al12(OH)24(H2O)127+- ions are strongly adsorbed onto the fibres. Also for this ion, specific interactions has to be considered, since the strong adsorption registered was too strong to be explained by Donnan equilibria. In the thesis, the stochiometric composition and an equilibrium constant characterising these interactions is presented.

Ce travail a pour but d'étudier la dynamique des éléments traces (ETs) dans la colonne d'eau d'une rivière anthropisée : l'Orge. La partie amont du bassin versant draine en majorité des terrains boisés et des terres agricoles, et vers l'aval, des zones urbanisées de plus en plus denses jusqu'à son exutoire dans la Seine, au sud de Paris. Quatre campagnes de prélèvements ont été effectuées le long de l'Orge suivant une année hydrologique (2010/2011). Le suivi spatio-temporel des concentrations dans la phase dissoute (< 0,45 µm) et dans les matières en suspension (MES) a été associé à des outils de traçage isotopique (δ34S [SO42-], 206Pb/207Pb) pour comprendre la dynamique de la partition des ETs ainsi que pour caractériser leurs sources en rivière sous pression urbaine. Une caractérisation fine de la spéciation solide du zinc, contaminant inorganique majeur en rivière dans ce bassin versant a été effectuée en couplant diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage et à transmission associée à la microanalyse, et spectroscopie d'absorption des rayons X sous rayonnement synchrotron. Les résultats géochimiques caractérisent les rejets de ruissellement et les rejets liés à l'assainissement comme des sources majeures d'ETs en rivière. Les résultats des analyses isotopiques ont permis de créer un indicateur de la pression anthropique en rivière, traçant à la fois les compartiments dissous et particulaire, tout en tenant compte des paramètres physico-chimiques des eaux et de l'hydrodynamisme. L'analyse de la spéciation solide du zinc dans les MES a permis d'identifier les phases porteuses principales de cet élément comme étant les oxyhydroxydes de fer et manganèse à composante phosphatée, la calcite, les phases argileuses et la silice amorphe. La microscopie confirme l'existence de ces phases ainsi que l'existence de phases porteuses accessoires dans la colonne d'eau oxygénée, notamment des sulfures. Plus généralement, l'ensemble de ces investigations a permis de mieux comprendre le fonctionnement des cycles biogéochimiques des ETs en rivière urbanisée, et offre de nouvelles perspectives de recherche encore largement sous exploitées grâce à l'analyse conjointe de la spéciation et de l'isotopie des métaux.