Partant des composés ATiO3 (A=Ba, Pb, Sr) bien connus pour leurs propriétés de type ferroélectriques, il est possible de concevoir des super-réseaux de basse dimensionnalité (multi-couches, phases de type ,…) où ces propriétés peuvent être modulées en fonction de la composition, de l'épaisseur des couches mises en jeu, des contraintes aux interfaces. Nous proposons ici d'étudier par calculs de premiers principes les instabilités structurales et la dynamique de réseau pour des systèmes simples dans cette famille. En définissant clairement les zones interfaciales et de cœur des couches, et en étudiant la convergence de leurs propriétés en fonction de l'épaisseur, ce travail vise à établir des potentiels interatomiques modèles, analytiques et transférables, pour la prédiction des propriétés dynamiques et des instabilités structurales de super-réseaux étendus et/ou complexes. / The aim of the present thesis is to investigate, from first-principles, the ferroelectricproperties and related phase transition behaviors in perovskite type compounds. Wewill not focus only on the bulk perovskite systems, but also on related layered superlatticeswhere the interface may play an important role and induce new phenomena.

En spintronique, l’étude des hétérostructures multicouches composées d'une électrode ferromagnétique et d'une couche isolante mince, c'est-à-dire des jonctions tunnel magnétiques (JTM), est particulièrement importante. Le système canonique est le Fe/MgO/Fe où les hautes valeurs du rapport de la magnétoresistance tunnel (TMR) ont été mesurées. Le facteur crucial définissant la performance de la jonction est l’imperfection structurelle dans un dispositif réel. Dans notre travail, nous nous sommes concentrés sur des lacunes d'oxygène dans MgO. Au moyen de la théorie de la fonctionnelle de densité, nous avons étudié les propriétés électroniques de l'état fondamental des lacunes d'oxygène simples et doubles dans MgO massif, appelées respectivement centres F et M. Nous avons ensuite étudié l'impact de ces lacunes sur le transport balistique dans les jonctions magnétiques. Nous avons démontré le rôle supérieur joué par les centres M et nous avons prouvé qu'un transport cohérent, préservant le spin et la symétrie des électrons, est possible en présence de centres M. / In sprintronics, the study of multilayer heterostructures composed of a ferromagnetic electrodes and a thin insulating layer, i.e. magnetic tunnel junctions (MTJs), is of special importance. The canonical systems are MTJs made of Fe/MgO/Fe where hight tunneling mangetoresistance ratio (TMR) values were measured. The crucial factor defining the junction performance is the structural imperfection appearing in a real devices. In our work we focused in particular on oxygen vacancies in MgO. By means of density functional theory we studied ground state electronic properties of single and double oxygen vacancies, referred as F and M centers, respectively, in bulk MgO. We then switched to full junctions where we investigated the impact of vacancies on the ballistic transport. We demonstrated that M centers played a superior role and proved that coherent transport, preserving electrons spin and symmetry, is possible in presence of paired vacancies.

La théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est une reformulation du problème quantique à N corps où l'énergie de l'état fondamental est exprimée sous la forme d'une fonction de la densité électronique. Dans l'approche de Kohn-Sham de la DFT, seule l'énergie dite d'échange-corrélation décrivant la partie non classique de l'interaction électron-électron nécessite d'être approchée comme une fonctionnelle de la densité. Dans le cadre de la thèse nous nous intéressons à une approximation visant à améliorer la précision et qui consiste à combiner de façon rigoureuse une approximation de type " fonctionnelle de la densité " avec un calcul explicite de type " fonction d'onde " à l'aide d'une décomposition de l'interaction électron-électron coulombienne. L'objectif est de disposer de méthodes améliorant la précision de la DFT actuelle avec un effort de calcul restant compétitif. Ce travail de thèse se décompose en trois études distinctes. Une première étude a consisté a étendre l'analyse de la convergence en base à la séparation de portée qui a permit de mettre en évidence une convergence exponentielle pour l'énergie de corrélation MP2 de longue portée. Dans un second temps nous nous sommes intéressés à une approximation auto-cohérente des fonctionnelles double-hybride utilisant la méthode des potentiels-effectifs-optimisés. Finalement la troisième étude propose une analyse de l'approximation adiabatique semi-locale du noyau d'échange et de corrélation de courte portée dans le cadre de la TDDFT avec séparation de portée dans son formalisme de réponse linéaire. / The theory of the functional of the density ( DFT) is a reformulation of the quantum problem in N body where the energy of the fundamental state is expressed under the shape of a function(office) of the electronic density. In the approach of Kohn-Sham of the DFT, only the said energy of exchange-correlation describing the not classic part(party) of the interaction electron-electron requires to be approached as a functional of the density. Within the framework of the thesis(theory) we are interested in an approximation to improve the precision and which consists in combining(organizing) in a rigorous way an approximation of type(chap) " functional of the density " with an explicit calculation of type(chap) " function(office) of wave " by means of a decomposition of the interaction electron-electron coulombienne. The objective is to have methods.

Dans cette thèse nous présentons des progrès algorithmiques ainsi que plusieurs applications des méthodes de Monte Carlo quantique (QMC) pour simulations à partir des premiers principes. Les améliorations que nous proposons permettent d'étudier par QMC des systèmes de plus grosse taille voire périodiques, avec l'ambition de faire du QMC une alternative valable à la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Tous les résultats ont été obtenus par le logiciel TurboRVB. D'abord, nous présentons une implémentation du QMC basée sur la fonction d'onde Jastrow-Geminale qui combine une grande flexibilité avec un traitement précis des corrélations électroniques. On a appliqué une technique originale de plongement pour réduire la taille de la base atomique à la molécule d'eau ainsi qu'à un modèle simplifié du transfert de protons (TP) dans l'eau. Nos résultats ouvrent la voie à l'étude des phénomènes microscopiques tels que le TP directement par QMC. Ensuite, on a amélioré notre méthode afin de simuler les solides cristallins. Grâce à une nouvelle procédure pour choisir de manière appropriée les conditions aux limites, nous avons pu réduire les erreurs de taille finie qui affectent les simulations QMC des solides. Sur la base des techniques développées, nous étudions enfin le supraconducteur FeSe. Le QMC fournit le meilleur résultat concernant sa structure cristalline; via une étude systématique du paysage énergétique à différentes configurations magnétiques, nous montrons un lien fort entre la structure, le magnétisme et les mouvements de charge dans ce matériau, prélude à une compréhension quantitative de la supraconductivité à haute température des premiers principes. / In this thesis we present algorithmic progresses as well as applications of continuum quantum Monte Carlo (QMC) methods for electronic structure calculations by first principles. The improvements we propose allow to tackle much larger molecular as well as extended systems by QMC, with the ultimate goal of making QMC a valid alternative to density functional theory (DFT). All results have been obtained with the TurboRVB software, which we contributed to develop. At first, we present a QMC framework based on the Jastrow-Geminal wavefunction which combines great flexibility with a compact analytical form, while providing at the same time an accurate treatment of electron correlations. We apply an original atomic embedding scheme for reducing the basis set size to the water molecule and to a simple model of proton transfer (PT) in aqueous systems. Our results pave the way to the study of microscopic phenomena such as PT directly by QMC. Afterwards, we extend our QMC framework in order to simulate crystalline solids. We propose a novel procedure to find special values of the boundary conditions which allow to greatly reduce the finite-size errors affecting solid state QMC simulations. Using the techniques previously developed, we study the iron-based superconductor FeSe. We show that QMC provides the best crystal structure predictions on this compound; by means of a systematic study of the energy landscape at different magnetic orderings, we show a strong link between structural, magnetic and charge degrees of freedom in FeSe. Our results represent an important step towards a quantitative understanding of high-temperature superconductivity by first-principles.

Les piles à combustible à membrane électrolyte polymère (PEMFC) sont considérées depuis de nombreuses années comme une solution intéressante pour remplacer les moteurs thermiques. Cependant le coˆut élevé du catalyseur et sa faible stabilité limitent la viabilité économique des piles. Le platine pur déposé sur carbone est le catalyseur couramment plus utilisé à la cathode, cependant les nanoparticules d’alliages de type Pt-M (M = Co, Ni ou Fe) sont reconnues depuis peu comme une alternative remarquable en raison d’une meilleure activité et d’une plus grande stabilité au cours de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR). Jusqu’à présent, les raisons fondamentales de cette amélioration significative n’ont pas été élucidées d’un point de vue cinétique et théorique. Par ailleurs, la simulation de la performance d’une pile PEM basée sur la loi empirique de Butler-Volmer ne permet pas de prédire de manière correcte ses propriétés cinétiques.Dans cette thèse, nous présentons une méthodologie théorique multi-échelles permettant de simuler le comportement transitoire d’une pile PEM par un modèle cinétique élémentaire. A l’échelle atomique, la théorie de la fonctionnelle de ladensité (DFT) a été utilisée pour modéliser et comprendre la formation de l’eau et du peroxyde d’hydrogène sur trois surfaces différentes de Pt3Ni(111) en comparaison avec la surface de référence Pt(111). Les calculs DFT ont montré que le taux de recouvrement des espèces hydroxyles en surface du catalyseur Pt(111) peut modifier le mécanisme réactionnel et que la plus grande activité catalytique des surfaces d’alliages Pt3Ni(111) est expliquée par la composition chimique en de surface, l’arrangement structural et le rˆole du second métal Ni sur les propri étés électroniques. Les énergies d’activation et les constantes de vitesse des étapes élémentaires du mécanisme réactionnel ont été déterminées et ont ensuite étéutilisées dans un modèle champ moyen décrivant le comportement du champ électrique et la distribution de charge à l’échelle nanométrique. Ces données ont été couplées avec des modèles décrivant la charge au niveau microscopique et les phénomènes de transport des réactifs jusqu’à la cathode. L’influence du choix du mécanisme élémentaire de l’ORR sur les prédictions des courbes de polarisation courant-tension a été déterminée et une comparaison avec les données expérimentales a été proposée pour valider le modèle. / Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a possible solution for replacing the actual combustion engines. However the cost of the catalyst and its actual low stability are restricting their economical viability. Pt/C is the state-of-the-art cathode catalyst but Pt-M (M = Co, Ni or Fe) alloyed nanoparticles have been proposed as cheap, more stable and powerful, regarding the ORR activity, alternative material. Up to now the fundamental reasons of such improvement have not been elucidated from a kinetic point of view. In the other hand the standard simulation approaches of the PEMFC performance based on Butler-Volmer equations thus not describe correctly the kinetics of such systems. In this thesis we present a multiscale theoretical methodology to scale up ab initio calculated data into elementary kinetic model to simulate PEMFC transient behavior. Density Functional Theory calculations are carried out to understand the catalytic properties of three different Pt3Ni(111) alloy surfaces in comparison with Pt(111). As a result we show that the coverage of OH species may reverse the dominant ORR mechanism on pure Pt catalyst and that the reasons for higher ORR catalytic activity of the Pt3Ni alloys are related to the nature of the second metal, to its surface ability to be less oxidize and to an optimal structural arrangements. Using these properties we have built an elementary kinetic model and calculate the associated constant rate parameters. Then these parameters are implemented into a mean field interfacial model describing the behavior of the electric field and charge distribution at the nanoscale, which is in turn coupled with microscale and mesoscale level models describing the charge and reactants transport phenomena across the cathode. The impact of different ORR mechanisms on the calculated i-V curves is investigated, in comparison with experimental data.

Afin de pouvoir utiliser les nouveaux matériaux semi-conducteurs dans les domaines de l’électronique et de l’optique, il faut parvenir à comprendre leur «structure électronique», ou plus précisément le positionnement des niveaux d’énergie des électrons impliqués dans l’absorption / émission d’un photon. Les propriétés électroniques, sensibles à la composition chimique et à la structure du matériau, sont théoriquement accessibles en résolvant les équations de la mécanique quantique sur ordinateur. Ce travail porte sur des simulations théoriques de la structure électronique de semi-conducteurs binaires constitués d'indium (ou du gallium) et de sélénium, ainsi que de leurs "dérivés" à base de cuivre. La stabilité relative des phases cristallographiques de certains composés In-Se et Ga-Se a été évaluée, ce qui a permis d’expliquer certaines tendances connues et de formuler des prédictions. Les résultats obtenus seront particulièrement utiles dans le domaine du photovoltaïque. Les simulations numériques ont été réalisées dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), visant les structures cristallines d'équilibre et les propriétés électroniques de quelques semi-conducteurs binaires ou (pseudo)ternaires à base de Cu, In, Ga et Se. Les systèmes étudiés possèdent la même structure à courte portée (environnement tétraédrique des cations et anions) mais diffèrent à longue portée. Les composés binaires (Ga/In)Se, (Ga/In)2Se3 constituent des références importantes dans les diagrammes de phases des systèmes à base de (Cu, In, Se) et (Cu, Ga, Se), au sein desquels figurent les phases potentiellement utiles dans le domaine du photovoltaïque. Le travail comprend deux chapitres d'introduction et trois chapitres exposant des résultats nouveaux / In order to optimally use new semiconductor materials in electronics or optics, one needs to understand their “electronic structure”, that is, the mutual placement of the electron energy levels concerned by the processes of absorption / emission of a photon. The electronic properties, which depend on the material’s chemical composition and crystal structure, may be assessed by theory via solving quantum-mechanical equations on a computer. The present work deals with theory simulations of electronic structure done for several binary semiconductors consisting of indium (or gallium) and selenium, moreover for their “derivatives” containing copper. As a result, the relative stability of crystallographic phases of some Ga-Se and In-Se compounds has been assessed, explaining the known trends and making predictions. The results are expected to be useful for current works in photovoltaics. The numerical simulations have been performed within the density functional theory (DFT), aimed at the equilibrium crystal structures and electronic characteristics of several binary or (pseudo)ternary semiconductors based on Cu, In, Ga and Se. The compounds under study share similar short-range order features (tetrahedral environment of both cations and anions), differently assembled on a long-range scale. The binary compounds (Ga/In)Se, (Ga/In)2Se3 mark important end points at the phase diagrams of the (Cu,In,Se) and (Cu,Ga,Se) systems that cover a number of phases relevant, e.g., for applications in photovoltaics. The work comprises two chapters of introduction and three outlining novel results

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse portent sur la méthode de décomposition de l'interaction d'échange ($J$) entre les centres magnétiques d'une molécule portant des électrons célibataires par l'approche à brisure de symétrie. Le but de cette méthode est d'extraire à l'aide des calculs non-restreints les différentes contributions physiques au couplage magnétique : l'échange direct ($J_0$) entre les orbitales magnétiques, l'échange cinétique ($\Delta J_{KE}$) permettant la délocalisation des orbitales magnétiques et la polarisation des orbitales de cœur ($\Delta J_{CP}$). La première partie de ce travail est consacrée à la théorie de la méthode de décomposition dans le cas le plus simple de deux électrons dans deux centres magnétiques d'un système centro-symétrique. La physique des contributions est expliquée en lien avec la présentation des outils méthodologiques et théoriques utilisés dans cette approche. La deuxième partie de cette thèse concerne l'implémentation de cette méthode dans le logiciel Orca et son application à des systèmes non-centrosymétriques. La dernière partie de ces travaux porte sur les développements méthodologiques que j'ai pu mener au cours de ces trois années de thèse. Une nouvelle approche permettant d'extraire la contribution de polarisation en spin est présentée. De plus, une proposition de généralisation de la décomposition de l'interaction d'échange magnétique basée sur la théorie des hamiltoniens effectifs est discutée. Un effort particulier a été porté sur l'explication et la signification physique de l'approche à brisure de symétrie dans le formalisme Hartree-Fock et la théorie de la fonctionnelle de la densité / This work is focused on the decomposition of the magnetic exchange coupling ($J$) between magnetic centers in the broken-symmetry approach. The purpose of this method is to extract from unrestricted calculations the different contributions to the magnetic coupling: the direct exchange ($J_0$) between the magnetic orbitals, the kinetic exchange interaction ($\Delta J_{KE}$) allowing the delocalization of the magnetic orbitals and the core polarization ($\Delta J_{CP}$) of non-magnetic electrons. The first part of this thesis is centered on the theory of the decomposition method in the simplest case of a centro-symmetric system with two electrons in two magnetic centers. The physical meaning is explained in relation with methodological and theoretical tools used in this approach. The second part presents the implementation of the method in the Orca package and its application to non centro-symmetric systems. In particular, this application highlights the interest of a such automatic method in standard quantum package. The last part of this work is focused on the methodological developments carried out during these three years. An innovative method avoiding the spin contamination problem is presented to extract the spin polarization effects. Furthermore, a generalization of the decomposition of $J$ to more complicated systems with more than two electrons in two magnetic centers is discussed. Special attention was given to the explanation and physical meaning of broken symmetry approach in Hartree-Fock and Density Functional Theory

Dans ce travail de thèse, des théories de type fonctionnelle de la densité sont développées pour des systèmes en interaction forte possédant une longueur de diffusion en onde s, notée as, anormalement grande. Les gaz atomiques ou la matière neutronique sont des exemples physiques de tels systèmes. La théorie des perturbations à N-corps est tout d'abord utilisée pour décrire les systèmes de fermions dilués. Cette approche conduit par exemple à la fonctionnelle de Lee-Yang qui est valide dans une plage de densité très restreinte lorsque la longueur de diffusion en onde s devient grande. Pour étendre le domaine de validité de l’approche perturbative, des techniques de resommation associées à l’approximation dite en échelle sont utilisée. Cette approche conduit à des expressions compactes pour l'énergie et/ou la self-énergie on-shell dans des systèmes infinis pouvant être appliquées à des systèmes plus ou moins denses. Cela conduit également à une énergie finie du gaz atomique à la limite unitaire, i.e. lorsque |askF|→+∞. Les fonctionnelles ainsi déduites restent assez complexes et manquent en général de pouvoir prédictif. Pour simplifier ces fonctionnelles, des approximations appelées respectivement approximations de “l’espace des phases” ou de “l'espace des phases partiel” sont proposées pour l'énergie ou la self-énergie. Ces approximations simplifient non seulement la forme des fonctionnelles, mais améliorent également leur pouvoir prédictif tout en reproduisant correctement la limite de basse densité. Guidé par les techniques de resommation non-perturbatives développées dans cette thèse, plusieurs nouvelles fonctionnelles sont proposées ainsi que leurs extensions permettant d’inclure des effets de portée effective. Ces fonctionnelles non empiriques, qui ne contiennent aucun paramètre libre, sont testées par rapport aux propriétés des systèmes d'atomes froids et/ou de la matière neutronique. Ces fonctionnelles reproduisent très bien les propriétés obtenues dans les calculs ab-initio ou observées expérimentalement dans les systèmes d'atomes froids. L'équation d'état de la matière neutronique est également reproduite jusqu'à ρ = 0.01 fm⁻³. La réponse statique de la matière neutronique, récemment calculée dans des théories ab-initio, est également mieux reproduite par rapport aux fonctionnelles empiriques utilisées généralement en physique nucléaire. Cette étude a aussi mis en évidence la nécessité de mieux comprendre les propriétés des quasi-particules telle que la masse effective. Pour progresser sur ce point, en partant des expressions resommées de la self-énergie et de l’approximation de l’espace des phases partiel, des expressions compactes du potentiel chimique et de la masse effective ont été obtenues ; ces expressions étant compatibles avec les fonctionnelles proposées dans la première partie de cette thèse. Ces expressions devraient élargir considérablement le domaine de validité des fonctionnelles non-empiriques par rapport aux théories perturbatives. Enfin, il est montré que les développements de ce travail sont également utiles pour réconcilier les paramètres généralement utilisés dans les fonctionnelles empiriques de la physique nucléaire avec les propriétés de l’interaction nucléaire forte. / In the present work, a density functional theory (DFT) is developed for systems interacting through an anomalously large s-wave scattering length as. Examples of such systems are atomic gas or neutron matter. The Many-Body Perturbation Theory (MBPT) is first discussed to describe dilute Fermi systems. This approach leads to the well-known Lee-Yang functional valid in a very narrow range of density when the s-wave scattering length is large. To extend the domain of validity of the perturbative approach, resummation techniques with the ladder approximation is used. This leads to compact expressions for both the energy and/or the on-shell self-energy in infinite spin-degenerated systems that can be applied from diluted to dense systems. It also leads to finite energy in atomic gas at the unitary limit, i.e. when |askF|→+∞. The deduced functionals remain rather complex and lacks of predictive power in general. To simplify the functional, approximations called phase-space or partial phase-space approximations respectively for the energy or for the self-energy, are proposed. These approximations not only simplify the form of the functionals, but also improve their predictive power at various density while properly reproducing the low density limit. Guided by the non-perturbative resummation technique developed in this thesis, several novel functionals are proposed as well as extensions of them to include effective range effects. These non-empirical functionals, that essentially contain no free parameters, are tested against cold atom and/or neutron matter properties. A very good reproduction of ab initio and experimental observations in cold atom is obtained. The equation of state obtained for neutron matter is also reproduced up to ρ = 0.01 fm⁻³. The static response of neutron matter, recently obtained from ab initio theory, is also better reproduced compared to standardly used empirical nuclear DFT. This study has also pointed out the necessity to better understand quasi-particle properties like the effective mass. To further progress, starting from resummed expressions of the self-energy together with partial phase-space approximation, compact expressions of the chemical potential and effective masses are obtained that are eventually compatible with the DFTs proposed in the first part of this thesis. These expressions are anticipated to significantly extend the domain of validity compared to the perturbative approach. We finally show that the developments made in this work are also useful to reconcile the parameters generally used in the empirical nuclear DFT with the properties of the strong nuclear interaction.

Au cours des prochaines années, neuf centrales nucléaires de type UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz) devront être démantelées en France. Ces centrales utilisent le graphite comme modérateur et réflecteur de neutrons. Pendant leur exploitation, celui-ci est activé. Leur démantèlement conduira à 23000 tonnes de déchets de graphite irradiés à gérer. Ce travail focalise sur deux radionucléides contenus dans ces déchets : le 36Cl et le 3H. Le 36Cl a l'une des demi-vies les plus longues (301 000 ans). Par contre, le 3H a une demi-vie plus courte (12 ans), mais contribue beaucoup à l'activité initiale des déchets. Différentes données expérimentales suggèrent que le 36Cl et le 3H sont piégés à différents endroits du graphite, comme les boucles de dislocation, les surfaces ou les joints de grains. Le seul mécanisme de migration des radionucléides est le relâchement. Pour cette raison, il est important de comprendre quels sont les pièges et les différentes conditions du relâchement.Le graphite UNGG a une structure complexe, hétérogène et multi-échelle qui diffère du monocristal idéal du graphite. Cependant, pour comprendre les données macroscopiques, les études théoriques à l'échelle nanoscopique et microscopique sont des outils importants, même si elles reposent sur des modèles plus simples. Dans cette thèse, une approche multi-échelle a été utilisée afin d’étudier les interactions des radionucléides avec le graphite ainsi que les mécanismes de diffusion et de piégeage à l'échelle du nm-μm.Les interactions du 3H et du 36Cl avec différents défauts du graphite ont été étudiées dans le cadre de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). L'hydrogène forme une liaison covalente avec le graphite massique ainsi qu'avec ses surfaces (001), (100) et (110). Plusieurs reconstructions de surface ont été explorées. Les résultats montrent que les hypothèses existantes sur le piégeage de l'hydrogène doivent être affinées. Le comportement du Cl est plus complexe. Sa chimisorption est observée sur les surfaces (100) et (110). Cependant, sur la surface (001), le Cl interagit par transfert de charge. Le Cl2 n'interagit que par interactions de van der Waals avec celle-ci. Le Cl2 se dissocie dans le graphite massique.Les diffusions du H et du Cl dans le graphite irradié ont été étudiées en effectuant des simulations de dynamique moléculaire. Les résultats ab initio ont été utilisés pour développer des potentiels de type « bond order » afin de modéliser l'interaction des radionucléides avec la matrice de graphite, qui possède des contributions à court et à long portée. Pour le Cl, un nouveau potentiel a été paramétré qui reproduit toutes les données obtenues au niveau DFT. Pour les interactions 3H-graphite, les potentiels AIREBO/M, pour les interactions C-H, et LCBOP, pour les interactions C-C, ont été utilisés.Pour évaluer l'influence de la structure complexe du graphite UNGG sur le comportement des radionucléides, plusieurs modèles atomiques ont été utilisés pour rendre compte de cette diversité, tels que les surfaces, les joints de grains et les nanopores.Pour le Cl, des simulations d'irradiation ont été réalisées pour une gamme d’énergie allant de 1 à 10 keV et une gamme de température de 200 à 500ºC. Les dépendances à la température et à la direction d'irradiation ont été étudiées. D’une façon générale, les dommages causés par l'irradiation perpendiculaire aux surfaces augmentent avec la température. L'irradiation à des angles d’incidence <90º aux surfaces peut causer plus ou moins de dommages par rapport à l'irradiation perpendiculaire selon le type de surface.Les diffusions du H et du Cl montrent que tous les bords de cristallites avec des liaisons pendantes sont des pièges. Pour le Cl, la diffusion dans le graphite nanoporeux a révélé deux emplacements préférés: les bords des cristallites où le Cl forme une liaison covalente et les coins des microfissures où le Cl interagit par transfert de charge. / In the upcoming years, nine nuclear UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz) power plants will have to be dismantled in France. In these power plants, nuclear graphite was used as a neutron moderator and reflector, and was activated during operation. The dismantlement will lead to 23000 tons of irradiated graphite waste, which will have to be managed. The graphite is classified as a nuclear waste containing radionuclides with low activity and long half-life. Two radionuclides are the focus of this work: 36Cl and 3H. 36Cl has one of the longest half-lives (about 301000 years) among the waste's radionuclides. 3H has a shorter half-life (12 years), but contributes significantly to the waste’s initial activity. Previous experiments suggest that both, 36Cl and 3H, are mainly fixed at different traps in graphite, which are defective structures, such as dislocation loops, surfaces, or grain boundaries. Since the only significant migration mechanism of these radionuclides is release, it is important to understand where the traps are located and the conditions of the release.UNGG graphite has a complex heterogeneous multi-scale structure which differs substantially from an ideal monocrystal of graphite. However, in order to understand macroscopic data, theoretical studies at the nano- and microscopic scale are an important tool to explain underlying phenomena even though they rely on simpler models due to the limitations of computation power. A multi-scale approach was therefore applied to study the local interactions of the radionuclides with graphite as well as diffusion and trapping mechanisms on the nm-μm length scale.First, the interaction of 3H and 36Cl with defects in graphite was studied with density functional theory (DFT). Hydrogen interacts covalently with bulk graphite as well as with the studied surfaces (001), (100), and (110). Several surface reconstructions were investigated: arch-type reconstructions and in-plane reconstructions. The results show that the existing hypothesis on the trapping of hydrogen needs to be refined. The behavior of Cl is more complex. On the (100) and (110) surface chemisorption is observed. However, on the (001) surface a strong charge transfer interaction is observed for Cl. In contrast to that, Cl2 only interacts via weak van der Waals interactions with this surface. In bulk graphite Cl2 dissociates.The diffusion of H and Cl in irradiated graphite has been investigated by performing molecuar dynamics simulations. The ab initio results were used to develop bond order potentials to model the interaction of radionuclides and the graphite matrix, which attributes for short and long range interactions. For Cl, a new potential has been parameterized which is able to describe all aspects obtained with DFT. For the 3H-graphite interactions, the bond order potential AIREBO/M was used for C-H interactions. For C-C interactions the LCBOP potential was used.To evaluate the influence of the complex heterogeneous structure of the UNGG graphite on the radionuclide's behavior, several different atomic models were studied to account for this diversity such as surfaces, grain boundaries and nanopores.For Cl, irradiation simulations of different systems were performed up to an energy of 10 keV for the primary knock-on atom (PKA), and in a temperature range of 200 to 500ºC. The dependence on temperature and irradiation direction was investigated. In general, direct irradiation damage increases with temperature. Irradiation at incident angles <90º can create more or less damage compared to the perpendicular one depending on the surface type.Diffusion of H and Cl along surfaces shows that all crystallite edges with dangling bonds can serve as traps. For Cl, diffusion in nanoporous graphite revealed two preferred locations : First, the crystallite edges where Cl forms strong covalent; second, the corners of microcracks where Cl interacts via charge transfer.

Ce manuscrit présente une méthodologie rationnelle de synthèse, caractérisation, détermination de la structure électronique et du comportement dynamique d’espèces bimétalliques électroniquement insaturées de type Cr(0)-M (avec M = Pd(II), Pt(II) ou Rh(I)). Ces nouvelles espèces constituent de rares exemples d’entités électro-insaturées à 14 électrons ayant la spécificité d’être persistantes en solution. Leur cohésion structurale provient essentiellement de la compensation d’un faible caractère de type donneur/accepteur entre les deux métaux par des interactions non-covalentes Coulombiennes. Nous montrons ainsi qu’en tirant profit du caractère ambiphile d’un ligand hétéroditopique capable de chélater un centre métallique par l’établissement d’une liaison covalente et d’une interaction non-covalente, de nouvelles espèces coordinativement insaturées peuvent être obtenues. Nous proposons d’appeler ce nouveau mode de chelation : « Hemichelation ». / The present manuscript will present a rational method of synthesis, characterization, determination of the electronic structure and dynamic behaviour of solution-persistent, and formally unsaturated binuclear Cr(0)-M complexes (with M= Pd(II), Pt(II) or Rh(I)). This new class of complexes constitutes rare examples of persistent coordinatively unsaturated 14-electrons complexes, whose cohesion stems essentially from a compensation of insufficient donor/acceptor Cr-M bonding by non-covalent interactions of preponderant attractive Coulombic nature. By taking advantage of the ambiphilic character of a heteroditopic ligand capable of chelating a metal centre through covalent and noncovalent bonds, truly coordination-unsaturated complexes can be synthesized in a manageable form. We propose to name “Hemichelation” the half-covalent/half noncovalent bonding-relationship between the ambiphilic heteroditopic ligand and the electron-unsaturated metallic centre.