Les plasmons de surface (SP) sont des ondes électromagnétiques se propageant à l'interface entre deux milieux, typiquement un métal et un diélectrique. Les plasmons de surface ont la capacité de confiner le champ électromagnétique dans de très petite région de l’espace, typiquement quelques nanomètres, c’est à dire bien en dessous de la limite de diffraction de la lumière. Une conséquence de ce confinement sub-longueur d’onde de la lumière est que leur observation nécessite une résolution spatiale nanométrique - ce qui exclut l’utilisation de techniques optiques standard. Néanmoins, le microscope électronique en transmission à balayage (STEM) est un outil particulièrement adapté à l'étude des plasmons de surface car il emploie des électrons rapides ayant une longueur d’onde typique comprise entre 1 et 10 picomètres. Ainsi, durant la dernière décennie, les spectroscopies électroniques appliquées à la nano-optique se sont fortement développées, parmi elle comptent : la spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS), la spectroscopie cathodoluminescence (CL) ou l'interférométrie de Hanbury Brown et Twiss (HBT) appliquée à la CL. Dans cette thèse, j’ai exploré différents problèmes ouverts de la plasmonique et de la nano-optique dans le cadre particulier de la microscopie électronique. Dans le chapitre 3, je présente un formalisme prenant en compte à la fois la nature quantique et relativiste des expériences d’EELS en faisant appel notamment à des éléments de théorie quantique des champs. Dans le chapitre 4, nous démontrons que la réalisation d’une expérience d’EELS avec de tels faisceaux permet de mesurer des propriétés jusqu’alors inatteignable à l’échelle du nanomètre telle que la phase des plasmons, leurs chiralité optique voire même leur longueur de cohérence. Dans le chapitre 5, je présente plusieurs résultats théoriques et expérimentaux concernant des expériences de couplage. En particulier, j’étudie le phénomène contre-intuitif d’auto-hybridation qui est une conséquence de la nature non-hermitienne du problème aux valeurs propres associé aux résonances de plasmon et établit une analogie avec les systèmes quantiques ouverts. Enfin, au chapitre 6, je discute des récentes mesures de phonon réalisées dans un STEM grâce au développement de monochromateur électroniques. / Surface plasmons (SP) are electromagnetic waves propagating at the interface between two media typically a metal and a dielectric. SPs can confine electromagnetic fields in very short volumes (typically one to few nanometers), well below the light diffraction limit. This property has a tremendous number of applications ranging from fundamental physics (e.g. quantum optics) to applications (e.g. cancer therapy). However, the price to pay is that SPs suffer from huge ohmic losses in the metal which leads to very short lifetimes (typically few femtoseconds). Theoretically, this presence of dissipation dramatically hardens the theoretical description of SPs. Another consequence of the sub-wavelength confinement of light associated with SPs is that their observation requires a nanometric resolution - which excludes the use of standard optical techniques. Yet, the scanning transmission electron microscope (STEM) is a particularly suitable tool to study SPs as it employs fast electrons with typical wavelength from 1 to 10 picometers. Thus, the last decade has seen the tremendous development of electron-based spectroscopies applied to nano-optics such as electron energy loss spectroscopy (EELS), cathodoluminescence spectroscopy (CL) or STEM- Hanbury Brown and Twiss interferometry (HBT). In this thesis, I explored different open problems of plasmonics and nano-optics under the scope of electron microscopy and spectroscopies. In chapter 3, I develop a formalism taking into account both the quantum and relativistic nature of EELS experiments using elements of quantum field theory. In chapter 4, I apply the latter formalism to the case of EELS measurements of SPs using electrons with shaped phase. In chapter 5, I give several theoretical and experimental results on coupling experiments involving SPs. Particularly, I demonstrate a counterintuitive type of coupling, the so-called self- hybridization which is a consequence of the non-Hermitian nature of the LSP eigenproblem and draw analogy with open quantum system. Finally, in chapter 6, I discuss the recent result on vibrational EELS in monochromated STEM.

Ce mémoire porte sur deux aspects du traitement des surfaces de GaAs faisant appel à des plasmas, dans le but de déposer des couches contrôlées d’oxyde et de nitrure. Dans les deux cas divers moyens d’analyse ont été utilisés pour contrôler la composition chimique ainsi que l’épaisseur et la structure des couches créées. Des calculs théoriques des signaux XPS établis sur une représentation schématique des échantillons ont été à la base de la compréhension des phénomènes mis en jeu. La première étude exposée dans ce mémoire a permis de démontrer l’efficacité d’un plasma micro-ondes composé d’O2 et de SF6 pour le nettoyage de substrats de GaAs ayant subis un ou plusieurs processus technologiques. La variation de paramètres comme la composition ou la puissance du plasma et le temps d'exposition à celui-ci nous a permis de mieux comprendre les mécanismes d’oxydation se déroulant sur la surface. Notamment, la présence de SF6 dans le plasma diminue la concentration d’arsenic sur la surface et améliore ainsi la stabilité de l’oxyde. La seconde étude réalisée dans ce travail, qui présente la nitruration de substrats de GaAs suivant différentes orientations, a mis en évidence les avantages que procure l’utilisation d’une source GDS à faible puissance pour la création d’une couche surfacique de GaN de très bonne qualité. Ce processus optimisé amène à une couche de nitrure exempte de composés dus à l’inter-diffusion de l’arsenic et de l’azote, et montre une quasi-saturation de l’épaisseur de la couche de nitrure en fonction du temps d’exposition. De plus cette couche se cristallise par recuit en une maille cubique de paramètre proche de celui du GaN. / This thesis focuses on two aspect of GaAs surface treatment using plasma in order to deposit controlled oxide and nitride layers. In both cases, various means of analysis were used to control the chemical composition and the thickness and the structure of produced layers. Theoretical calculations of the XPS signals established on a schematic representation of the samples allow the understanding the involved phenomena. The first study reported in this thesis has demonstrated the efficiency of a microwave plasma composed of O2 and SF6 for the cleaning of GaAs substrates having undergone one or several technological processes. The variation of plasma parameters such as composition, power and exposure time enables us to better understand the mechanisms of oxidation occurring on the surface. Particularly, the presence of SF6 in the plasma induces the decrease of the concentration of arsenic on the surface and thus improves the stability of the oxide. The second study of this work presents the nitridation of GaAs substrates with different orientations. More the benefits of using a low power GDS source to create high quality GaN layer on the surface is highlighted. This optimized process leads to an As-free nitride layer formed by the inter-diffusion of arsenic and nitrogen, and shows a near saturation of the nitride layer thickness as a function of exposure time. Furthermore, this layer is crystallized by annealing in a cubic lattice parameter close to that of c-GaN.

Nous avons élaboré des structures de quatre couches d'InN/InP (100) en enrichissant en In la surface nitrurée à l'aide d'une cellule d'évaporation calibrée. Les propriétés physiques de ces structures ont été étudiées in-situ à l'aide de spectroscopie, des électrons Auger (AES), des photoélectrons X (XPS) et UV (UPS) avant d'être analysées ex-situ par photoluminescence (PL) et mesures électriques (I(V) et C(V)). Nous avons mené une étude de PL en fonction de la température et l'évolution de l'énergie du pic de PL obtenue en fonction de la température suivait la forme en S-inversé caractéristique des effets de localisation. Les caractéristiques électriques courant-tension des structures Hg/InN/InP montrent qu'elles forment un contact Schottky. Les caractéristiques capacité-tension montrent qu'elles se comportent comme une structure lorsqu'on polarise négativement et comme une structure MIS quand on polarise positivement. Dans la dernière partie de cette thèse, des résultats sont présentés sur l'étude des propriétés physico-chimiques et optiques de semi-conducteurs poreux : le GaAs et l'InP poreux. L'effet de confinement quantique dans les cristallites de GaAs poreux a été confirmé après avoir caractérisé optiquement par Photoréflectivité (PR) et photoluminescence (PL) des échantillons de GaAs poreux

Ever since the discovery of exotic phenomena like high temperature (Tc) superconductivity in the cuprates and colossal magnetoresistance in the manganites, strongly correlated electron systems have become the center of attention in the field of condensed matter physics research. This renewed interest has been further kindled by the rapid development of sophisticated experimental techniques and tremendous computational power. Computation plays a pivotal role in the theoretical investigation of these systems, because one cannot explain their complicated phase diagrams by simple, exactly solvable models. Among the plethora of experimental techniques, various kinds of high energy electron spectroscopies are fast gaining importance due to the multitude of physical properties and phenomena which they can access. However the physical processes involved and the interpretation of the spectra obtained from these spectroscopies are extremely complex and require extensive theoretical modelling. This thesis is concerned with the theoretical modelling of a certain class of high energy electron spectroscopies, viz. the core-level electron spectroscopies, for strongly correlated systems of various kinds. The spectroscopies covered are Auger electron spectroscopy (AES), core-level photoemission spectroscopy (core-level PES) and X-ray absorption spec- troscopy (XAS), which provide non-magnetic information, and also X-ray magnetic circular and linear dichroism (XMCD and XMLD), which provide magnetic information. .