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Cette thèse touche à la problématique des échanges de gaz aux interfaces entre la géosphère, la biosphère, l'hydrosphère et l'atmosphère par l'intermédiaire du monitoring géochimique des gaz appliqué aux sites de stockage géologiques du CO2. Au niveau de l'axe « Métrologie », nous avons développé une plate-forme de monitoring géochimique continu, in situ et déportée par spectrométrie FTIR/Raman pour la mesure des gaz du sol (CO2, CH4, N2, O2, H2O). Des protocoles de quantification ont été développés pour la mesure par télédétection infrarouge terrestre en mode passif du CO2, CH4, SO2, H2S dans l'atmosphère. Au niveau des axes « Monitoring » et « Modélisation », les mesures de gaz du sol à proximité du puits d'injection de Rousse (Pilote CO2 Total, Lacq/Rousse, France) sur plus de sept cycles saisonniers ont montré une anti-corrélation entre la teneur en CO2 et les variations du niveau piézométrique de la nappe. Cette relation a permis de modéliser l'enveloppe de variabilité « naturelle » de la teneur en CO2 dans le sol, qui constitue un élément clé pour la surveillance des sites de stockage. Les variations majeures de teneur en CO2 sont attribuées à des processus de dissolution/libération de CO2 par la nappe, jouant un rôle de pompe à CO2. La concentration en CO2 en surface (+1m) serait gouvernée par les variations de teneur en CO2 du sol. Les mesures par télédétection FTIR des gaz dans l'atmosphère ont permis d'établir pour la première fois une simulation expérimentale 3D des enveloppes de CO2 à l'aplomb du site d'injection. Ces résultats constituent un premier pas vers la mise en place d'un outil de surveillance des panaches gazeux dans l'atmosphère / This study is based on the problematic of gas exchanges at the interface between the geosphere, biosphere, hydrosphere and atmosphere through the geochemical monitoring of gas applied to CO2 geological storage sites. Concerning the "Metrological" aspect, we developed and implemented an in situ continuous geochemical monitoring station, based on coupling FTIR/ Raman spectrometry for measuring soil gas (O2, N2, CO2, CH4 and H2O) close to the injection wells of Rousse 1 (CCS Total pilot, Lacq-Rousse, France). We also developed protocols to identify and quantify CO2, CH4, SO2, H2S in the atmosphere (plume) by passive remote sensing FTIR. On the "Monitoring" and "Modelling" aspects, the continuous recording of soil CO2 concentration during more than 7 seasonal cycles indicate that CO2 concentration in the soil was anti-correlated with changes in piezometric level of the groundwater. This correlation was used to model the limits of natural variability of CO2 content in the soil, which is a key to CCS sites monitoring. The main fluctuations in soil CO2 content was assigned to a dissolution/release process of CO2 by the perched water table, acting as a CO2 pump. The CO2 concentration at the near surface (+ 1 m) would be governed by changes of the soil CO2 content. FITR remote sensing measurement of atmospheric gases allowed for the first time to perform an experimental 3D simulation of CO2 layers on the injection site. This type of experimental simulation is a first step for the monitoring of gases in the atmosphere

La glace de H2O est présente dans de nombreux environnements planétaires, et notamment sous forme de polymorphe de haute pression au sein des satellites de glaces ainsi que dans le manteau des planètes extrasolaires, dites planètes océan. La diversité des conditions thermodynamiques prédite au sein de ces corps planétaires a souligné le besoin de nouvelles données de laboratoire et de calculs sur les glaces de H2O afin de pouvoir modéliser leur évolution et leur structure interne.Si les propriétés structurales et spectroscopiques des pôles purs de ces glaces sont déjà relativement bien connues, une description pétrologique plus réaliste des solutions solides et des phases riches en impureté, manque encore à la communauté. Ce travail de thèse s’est concentré sur l’étude de la fusion des glaces VI et VII dans le binaire H2O-NaCl grâce aux techniques de cellules à enclumes en diamants et la spectroscopie vibrationelle Raman. Ces données ont été complétées par des mesures du fractionnement du sel analogue RbI entre les glace VI et VII et le fluide aqueux en utilisant la cartographie de fluorescence X et de diffraction des rayons X réalisées à l’European Synchrotron Research Facility (Grenoble). Ceci as permis de mettre en évidence une inversion de densité entre le fluide riche en sel et la glace VI et de révéler une forte différence de partage du sel entre la glace VI et la glace VII avec un coefficient de partage du RbI estimé à Kd(VI-VII)=4.5(±2.7)10-2.Au sein des plus gros corps riches en H2O appelés planète océan, le manteau de glace potentiellement épais de plus de 1000 km abrite un type de glace de ultra haute pression appelé glace X. Cette phase de la glace d’eau est unique de part sa structure cristallographique ionique, contrairement aux autres glaces de plus basse pression, toutes de structure moléculaire. Cette caractéristique structurale et l’absence de données concernant ses propriétés mécaniques ont motivé l’étude de ses propriétés élastiques et plastiques. Ainsi à partir de calcul ab initio et du modèle de Peierls Nabarro, j’ai pu déterminer une forte variation de l’anisotropie élastique avec la pression, les différentes structures de cœurs des dislocations vis et coin et les systèmes de glissement préférentiels au sein de la glace X dans son champ de stabilité de 100 à 350 GPa. Nos calculs suggèrent que la déformation de la glace X est toujours localisée sur le plan {110} et que le système <110>{110} contrôle la déformation plastique en dessous de 250 GPa et que le système <100>{110} est dominant à plus haute pression. Nos résultats montrent aussi que si l’anisotropie élastique augmente rapidement avec la pression, la plasticité de la glace X devient quasi-isotrope à 350 GPa. / H2O ice is found in a variety of planetary environments, notably in the form of high pressure polymorphs inside icy moons and extrasolar ocean planets. The great diversity of thermodynamic conditions predicted inside such planetary bodies, reveals the need for new experimental and computational data to allow modeling of their internal structure and dynamics.Structural and spectral properties of H2O pure ices have been intensively studied, but surprisingly there is a lack of petrological data on impurities rich ice solid solutions. This Ph.D. thesis work focused on the study of ice VI and ice VII fusion curves in the H2O-NaCl binary, using diamond anvil cell and Raman spectroscopy. We later determined the partitioning of the NaCl analog salt, RbI, between ice VI and VII and the aqueous fluid using X- ray fluorescence and X-ray diffraction techniques at the European Synchrotron Research Facility (Grenoble). Our results enable us to observe a density inversion between ice VI and the salty fluid, and to measure a strong difference in salt partitioning between ice VI and ice VII with a partition coefficient of Kd(VI-VII)=4.5(±2.7)10-2. Inside the largest H2O rich planetary bodies, called ocean planets, the icy mantle, putatively more than 1000 km thick, shelters an ultra high pressure ice form called ice X. This H2O ice phase is unique because of its ionic crystallographic structure, in contrast with lower pressure ices polymorphs, all being molecular solids. This characteristic coupled with the fact that no data are available yet on its mechanical properties, encouraged us to study its elastic and plastic properties. Using ab initio calculations and the Peierls Nabarro model, I showed the strong variation of elastic anisotropy with increasing pressure and determined the dominant slip system inside the structure of ice X over its entire pressure stability range from 100 to 350 GPa. Our calculations suggest that plasticity in ice X is dominated by displacement always occurring on the {110} glide plane. Also, it reveals that the <110>{110} glide system is dominant below 250 GPa and that the <100>{110} slip system controls the plasticity of ice X. Our results also show that, if elastic anisotropy of ice X is strongly increasing with increasing pressure, the plasticity becomes almost isotropic at 350 GPa.

Diese Arbeit ist eine umfassende und systematische Untersuchung der Adsorption von Wasser auf der Fe2O3(0001)-Oberfläche. Sie deckt eine Vielzahl der Probleme auf, die während des Anfangs der Wasseradsorption auf den Übergangsmetalloxidoberflächen auftreten. Dazu gehören die Stabilität der reinen Oberfläche, die Rolle der Oberflächendefekte, der Einfluss der kristallographischen und elektronischen Strukturen, die elementare Kinetik der adsorbierten Arten von Wasser auf der Oberfläche, die Eigenschaften bei niedrigem und hohem Bedeckungsgrad und die Auswirkungen der Wasserstoffbrückenbindung auf die Adsorption und das XPS-Spektrum. Niedrige und hohe Bedeckungsgrade von 0.25 bis 1 Monolage werden untersucht, um die Grundlage für die folgende Erhöhung der Wasserbedeckung, die normalerweise in Experimenten beobachtet wird, zu ermitteln. Das Einzeladsorptionsregime wurde erweitert, um eine echte Wasserdampfumgebung mittels der Gibbs-Energie zu berücksichtigen. Die Ensemblemethode wurde benutzt, um die durchschnittlichen Werte der energisch entarteten Adsorptionskonfigurationen zu interpretieren. Der Abstandsmatrixansatz wurde entwickelt, um die statistische Analyse zu ermöglichen. Die Methode reduziert mithilfe der Oberflächensymmetrie die Gesamtzahl der Adsorptionskonfigurationen, die zu berücksichtigen sind. Das XPS-Spektrum wird für verschiedene Wasserdampftemperaturen und Drücke simuliert. Es wird eine gute Übereinstimmung zwischen theoretischen und experimentellen Spektren erreicht und die geringen Unterschiede werden erklärt. Die Hauptmerkmale des XPS-Spektrums beim Anstieg von relativer Feuchtigkeit des Wasserdampfs werden beschrieben. Die Ähnlichkeiten und Unterschiede der Wasseradsorption auf Fe2O3 und Al2O3 werden betont und die wichtigsten Tendenzen werden abgeleitet. Auf Grund dieser Arbeit kann der Anfangsprozess der Fe2O3(0001)-Oberflächenbenetzung erklärt werden. / The present study is a comprehensive systematic theoretical investigation of the water adsorption on the Fe2O3(0001) surface. It covers a broad number of problems inherent to the initial stage of the water adsorption on the transition metal oxide surface: clean surface stability, the influence of surface oxygen defects, the role of the crystallographic and electronic structures on the adsorption configuration, elementary kinetics, the particular qualities of the low and high adsorption coverage regimes and the effect of the hydrogen bonding on adsorption and on the XPS spectra simulation. The low and high coverage regimes from 0.25 up to 1 monolayer water coverage were considered to form a basis for the following increase of water loading mainly observed in experiments. A single adsorption energy picture was expanded to take into account the water vapour environment through the Gibbs free energy. The statistical ensemble was employed to classify and interpret the averaged values of the adsorption configurations set rather than the ``invisible'' in experiment quantities intrinsic to the particular single adsorption configuration. In order to make the statistical analysis feasible an effective distance matrix scheme was developed. It helped to reduce the total number of structures to consider without loss of generality by virtue of the surface space symmetry. Based on the statistical contribution of each individual adsorption configuration, the O-1s XPS was simulated for the various water vapour environments. A good agreement between the simulated and experimental spectra was found. Wherever it was important, the similarities and differences between water adsorption on the Fe2O3, Al2O3 and Fe3O4 surfaces were stressed and the main tendencies were deduced. Based on the present study, the whole picture of the initial stage of the Fe2O3(0001) surface wetting process was established.

Le contexte environnemental (réchauffement climatique) et économique (épuisement des ressources en énergies fossiles) entraîne une nécessaire mutation du paysage énergétique mondial. L’hydrogène est présenté comme un vecteur d’énergie propre pouvant, par l’intermédiaire d’une pile à combustible, fournir de l’électricité pour diverses applications (nomade, portable, automobile et stationnaire). Cependant, son développement reste tributaire de son mode de stockage. Parmi les composés présentant de bonnes capacités de stockage, le borohydrure de sodium NaBH4 se distingue puisqu’il permet aussi un dégagement contrôlé de l’hydrogène d’après la réaction d’hydrolyse suivante : ( ) (2 ) ( ) ( ) 4 ( ) 4 2 2 2 2 NaBH ++ x H O l→NaBO . xH O + H g Il constitue ainsi une solution sûre et facile d’utilisation, et est donc envisageable pour des applications grand public. La thèse avait pour objectif l’approfondissement des connaissances relatives à la réaction catalysée d’hydrolyse du borohydrure de sodium selon deux axes principaux: la catalyse de la réaction et l’étude des produits d’hydrolyse. Concernant le premier axe, notre objectif était de mieux comprendre et d’améliorer la cinétique de la réaction d’hydrolyse, les catalyseurs étudiés étant à base de cobalt. Un catalyseur « modèle » a été utilisé et comparé à des nanoparticules métalliques synthétisées et d’autres espèces chimiques à base de cobalt (oxyde, hydroxyle et carbonate). Le modèle cinétique de Langmuir-Hinshelwood a permis de décrire la cinétique de l’hydrolyse. Un mécanisme réactionnel basé sur les adsorptions en surface du catalyseur de BH4 - et de H2O a été proposé. Enfin, la nature des sites actifs en surface a été discutée. En ce qui concerne le second axe de la thèse, nous avions deux objectifs : identifier les phases formées en fonction des conditions expérimentales et approfondir les connaissances thermodynamiques du système binaire NaBO2-H2O pour définir les différents équilibres se formant à l’issu de la réaction d’hydrolyse. Pour ce faire, les borates ont d’abord été synthétisés, puis caractérisés en termes de structure cristallographique et de stabilité en température. C’est ainsi qu’un nouveau borate de sodium, Na3[B3O4(OH)4] ou NaBO2•2/3H2O, a été obtenu. D’autre part, l’étude des équilibres liquide+solide, solide+solide et liquide+vapeur nous a permis d’établir le diagramme binaire NaBO2-H2O à pression atmosphérique. / As an alternative solution to fossil fuels, hydrogen is may be the most advanced technology. However, its large scale development is today harshly hindered by the issues it encounters, its storage being certainly the most significant. Various storage methods are under investigation but solid storage as in sodium borohydride NaBH4 appears to be convenient with regard to its storage capacities, safety and cost. The hydrogen stored in NaBH4 can be released by hydrolysis at ambient temperature. The hydrolysis reaction leads to the formation of 4 hydrogen molecules and borates: ( ) (2 ) ( ) ( ) 4 ( ) 4 2 2 2 2 NaBH ++ x H O l → NaBO . xH O + H gThe efficiency of this reaction suffers from two problems. First, slow kinetics of hydrogen release is observed for this reaction. Second, the “hydration” of NaBO2 is detrimental to the storage capacities of the system NaBH4-H2O. Indeed, the higher the pseudo-hydration degree (i.e. x), the lower the gravimetric hydrogen storage capacity. Both issues are the topics we have studied in the present work. Hydrogen release can be accelerated by using a cobalt catalyst. Hence, we focused on various cobalt-based catalysts. A reference catalyst was first chosen, and then tested and compared to lab-prepared cobalt nanoparticles and other cobalt-based materials (oxide, hydroxide and carbonate). The Langmuir-Hinshelwood kinetic model well captured the kinetics of the hydrolysis reaction. Accordingly, a reaction mechanism based on the adsorptions of both BH4 - and H2O on the catalyst surface has been proposed. The adsorptions are expected to occur on specific surface sites which nature has been discussed. The gravimetric hydrogen storage capacity of NaBH4-H2O can be increased by decreasing the pseudo-hydration degree (i.e. x) of the borates. However, this implies that the thermodynamics of the NaBO2•xH2O compounds are well known as they are crucial for favouring the formation of water-free borates. Borates were then synthesized and characterized in terms of crystallographic structure, pseudo-hydration degree and thermal stability. In this context, a new sodium borate has been synthesized: Na3[B3O4(OH)4] or NaBO2•2/3H2O. Besides, we studied the liquid+solid, liquid+vapor and solid+solid equilibria that permitted to set the binary phase diagram NaBO2-H2O at atmospheric pressure

Le contexte environnemental (réchauffement climatique) et économique (épuisement des ressources en énergies fossiles) entraîne une nécessaire mutation du paysage énergétique mondial. L'hydrogène est présenté comme un vecteur d'énergie propre pouvant, par l'intermédiaire d'une pile à combustible, fournir de l'électricité pour diverses applications (nomade, portable, automobile et stationnaire). Cependant, son développement reste tributaire de son mode de stockage. Parmi les composés présentant de bonnes capacités de stockage, le borohydrure de sodium NaBH4 se distingue puisqu'il permet aussi un dégagement contrôlé de l'hydrogène d'après la réaction d'hydrolyse suivante : ( ) (2 ) ( ) ( ) 4 ( ) 4 2 2 2 2 NaBH ++ x H O l→NaBO . xH O + H g Il constitue ainsi une solution sûre et facile d'utilisation, et est donc envisageable pour des applications grand public. La thèse avait pour objectif l'approfondissement des connaissances relatives à la réaction catalysée d'hydrolyse du borohydrure de sodium selon deux axes principaux: la catalyse de la réaction et l'étude des produits d'hydrolyse. Concernant le premier axe, notre objectif était de mieux comprendre et d'améliorer la cinétique de la réaction d'hydrolyse, les catalyseurs étudiés étant à base de cobalt. Un catalyseur " modèle " a été utilisé et comparé à des nanoparticules métalliques synthétisées et d'autres espèces chimiques à base de cobalt (oxyde, hydroxyle et carbonate). Le modèle cinétique de Langmuir-Hinshelwood a permis de décrire la cinétique de l'hydrolyse. Un mécanisme réactionnel basé sur les adsorptions en surface du catalyseur de BH4 - et de H2O a été proposé. Enfin, la nature des sites actifs en surface a été discutée. En ce qui concerne le second axe de la thèse, nous avions deux objectifs : identifier les phases formées en fonction des conditions expérimentales et approfondir les connaissances thermodynamiques du système binaire NaBO2-H2O pour définir les différents équilibres se formant à l'issu de la réaction d'hydrolyse. Pour ce faire, les borates ont d'abord été synthétisés, puis caractérisés en termes de structure cristallographique et de stabilité en température. C'est ainsi qu'un nouveau borate de sodium, Na3[B3O4(OH)4] ou NaBO2*2/3H2O, a été obtenu. D'autre part, l'étude des équilibres liquide+solide, solide+solide et liquide+vapeur nous a permis d'établir le diagramme binaire NaBO2-H2O à pression atmosphérique.

Durant ces dernières décennies, les composés de basse dimensionnalité à gap de spin ont été largement étudiés grâce notamment à l'aide qu'ils peuvent apporter dans la compréhension de la frontière entre le comportement purement quantique d'un spin isolé et le comportement classique d'un ensemble de spins. Parmi ces composés à gap de spin nous pouvons citer les chaînes alternées de spins 1/2, les composés présentant une transition spin-Peierls ou les systèmes comportant un nombre pair de spins avec un couplage d'échange antiferromagnétique (AF) entre eux. Parmi les méthodes d'étude expérimentale de ces systèmes, la Résonance de Spin Electronique (RSE) fait partie des plus puissantes parce qu'elle est très sensible aux interactions anisotropes dans ces composés. Malgré les multiples données RSE obtenues sur ces composés, l'interprétation du profil de variation thermique de la largeur de raie RSE et du facteur g reste quand même problématique à cause de l'absence de théories efficaces. Parmi les théories disponibles, la plus utilisée est celle de Kubo et Tomita qui prédit un rétrécissement par échange de la largeur de raie à température infinie. Plus récemment, Oshikawa et Affleck ont trouvé des formules de la variation thermique de la largeur de raie et du facteur g pour une chaîne homogène de spins 1/2. Une autre méthode pour interpréter les données RSE est de calculer numériquement les paramètres d'absorption du modèle qui décrit le mieux le composé étudié. Ce mémoire rapporte mes travaux de thèse dont le sujet est l'étude, par RSE, de la dynamique des spins dans les composés à base de dimères de spins 1/2, CsV2O5, VO(HPO4)*0.5H2O et KZn(H2O)(VO)2(PO4)2(H2PO4). En étudiant les courbes de résonance RSE en fonction de la température et de l'angle nous avons trouvé que ces composés, dont la susceptibilité magnétique peut être aussi bien décrite par celle d'un ensemble de dimères isolés de spins 1/2 que par celle d'une chaîne AF alternée de spins 1/2, présentent deux régimes de comportement de la largeur de raie en fonction de la température : A haute température les raies de résonance RSE sont rétrécies à cause de l'échange suivant les prédictions de Kubo et Tomita alors qu'à basse température les courbes de résonance RSE s'élargissent et changent de forme (apparition de deux raies de résonance dues à la structure fine). Avec une méthode numérique de calcul des paramètres d'absorption RSE nous montrons que ce profil de la largeur de raie correspond plus à celui présenté par une chaîne AF alternée de spins 1/2.

Work reported in this thesis mainly comprises of the assignments and analysis of the rotational spectra and structures of three weakly bound complexes: C2H4•••H2S, C6H5CCH•••H2O and C6H5CCH•••H2S. All the data have been collected using a home built Pulsed Nozzle Fourier Transform Microwave Spectrometer. Apart from this, the thesis also deals with a criterion of classifying a weakly bound complex to a ‘hydrogen-bonded’ one. First chapter of the thesis gives a brief intermolecular interactions and molecular clusters of π system. It also briefly touches on the structural determination by rotational spectroscopy and the basic information one can gain from the rotational spectrum. Second chapter of the thesis gives a brief introduction to the experimental and theoretical methodology. It also gives a description of the software used in the FTMW spectrometer which was rebuilt using Labview 7.1. Third chapter of the thesis deals with the rotational spectra and structure of eight isotopologoues of C2H4•••H2S complex. The lines are split into four components for the parent isotopologue due to the presence of large amplitude motion. The smaller splitting is 0.14 MHz and the higher splitting is 1.67 MHz in (B+C)/2 for the parent isotopologue. Spectral splitting pattern of the isotopologues confirmed that smaller splitting is due to the rotation of ethylene about its C-C bond axis along with the contraction of S-H bond whereas the larger motion arises due to the interchange of equivalent hydrogens of H2S in the complex. A detailed spectral analysis and ab initio calculation for this system have been described in chapter III. The fourth chapter of the thesis describes the rotational spectroscopic studies of five isotopologues of C6H5CCH•••H2O complex. Rotational spectra unequivocally confirm the structure of the complex to be a one where H2O is donating one of its hydrogen to the acetylenic π cloud forming a O-H••• π bond whereas the ring ortho C-H bond forms C-H•••O bond with the water oxygen. For theparent isotopomer the lines are split into two components due to the rotation of H2O about its C2 symmetric axis. The fifth chapter of thesis describes the rotational spectroscopic and ab initio studies of five isotopologues of C6H5CCH•••H2S complex. Rotational spectra indicate the structure to be the one where H2S is sitting on the top of the phenyl ring and shifted towards the acetylenic group. The sixth chapter of the thesis describes a criterion for calling a complex to be hydrogen bonded based on the dynamic structure rather than the static structure of the complex. The question asked is if the anisotropy of the interaction is strong enough to hold the ‘hydrogen bond’ when one takes dynamics into account. The proposed criterion is that the zero point energy of the motion which takes the hydrogen away from the acceptor should be much less than the barrier height of the respective motion supporting at least one bound level below the barrier. Ab initio calculations have been done on four model systems Ar2•••H2O, Ar2•••H2S, C2H4••• H2O and C2H4••• H2S to emphasize this criterion.

NLO materials have been researched for nearly five decades from the point of view of understanding the basic mechanisms and also in the pursuit of new materials possessing improved properties. Materials satisfying a set of physico-chemical properties such as wide transmission range, good mechanical hardness, high po-larizablity, noncentric crystal structure, good chemical stability, etc are the ones which are sought after. Several organic and inorganic molecules have been synthe-sized with the hope of finding materials that possess the desired NLO properties. Most of the organic materials are known to possess high figure of merit. However, their poor mechanical strength and needle like growth habit are hindrances to practical applications. Inorganic NLO materials have better mechanical properties but many of them possess small deff and laser induced damage threshold. Semi-organic NLO materials are intended to have the merits of both organic and inorganic counterparts. In this investigation, three important NLO crystals, viz cesium hydrogen L-malate monohydrate (CsLM, CsH[C4H4O5]H2O), cesium lithium borate(CLBO,CsLiB6O10)and near stoichiometric lithium niobate codoped with Nd and Zn (Nd:Zn:LiNbO3)are chosen for detailed study. The thesis is organized into 6 chapters. First chapter contains the theoretical background of the physical and chemical phenomena including a review of nonlin-ear optics, second harmonic generation, multiphoton absorption & refraction con-cepts, single crystal growth, principles of ferroelectricity and the scope of the work involved. For better connectivity, a brief review of the earlier work carried out on the chosen materials is given in the beginning of each chapter. The second chapter discusses the methodology of work and experimental details used in the present study. The third chapter deals with studies on CsLM, the new organometallic NLO crystal. Its structure, electro-optical properties and dielectric properties in FIR region are reported very recently. This material is also reported to show a phase transition at 50 0C though not much is understood about its nature. Further details of crystal growth conditions, nonlinear optical properties and laser damage thresholds are little known on this newly discovered NLO material. In this chapter detailed crystal growth studies and investigations of physical properties are presented. During growth, CsLM crystals manifest in platy and prismatic morphologies depending on level of super saturation invoked. The maximum dimensions of the grown crystal are 20 x15 x35 mm3. It has very good transmission in the range, 250-1300 nm and dislocation density of ≈104/cm2 . The dc conductivity measurements place this crystal between an ionic conductor and a dielectric. Dielectric properties show considerable frequency dispersion and axial anisotropy with є′ being the highest along the polar b axis. Maker fringes experiment reveals that CsLM possesses good second harmonic generation efficiency, an order of magnitude higher than KDP. It also has high laser damage threshold for fundamental and second harmonic wavelengths of Nd:YAG pulsed laser. TGA/DTA experiments are performed on the crystals grown below and above the reported transition temperature(labelled as CsLM and Anhydrous-CsLM respectively). The present investigations on Anhydrous-CsLM show that it crystallizes in a structure different from that of CsLM and the nature of the reported ′phase transition ′is driven by sluggish hydration and dehydration processes. Recently UV transparent nonlinear optical materials were evaluated for the fab-rication of all solid state UVlasers and CLBO is one such NLO material. It crystal-lizes in non-centrosymmetric tetragonal space group, I42d. It is highly transparent in the wide range of wavelengths from 180 to 2500 nm and has good deff. It pos-sesses very good angular and spectral bandwidth tolerances compared to its contemporaries such as lithium triborate(LBO) and beta barium borate(β-BBO). There is, however, a problem associated with this material that it cracks when exposed to atmosphere due to its hygroscopic nature. This chapter details the fabrication of the required instrumentation to grow single crystals of this material and the study of possible solutions to avoid cracking problem besides its new nonlinear properties. Since the melts of borate materials are known to be highly viscous, the crystal growth apparatus should have the options for tuning the parameters like seed and crucible rotation rates, temperature isotherms, slow pulling rate, etc. Keeping the above in mind, a high temperature top seeded solution growth unit was designed and fabricated inhouse. Highly transparent single crystals of CLBO were grown using the above unit which were characterized for the defects/dislocations using X-ray topography. The average dislocation density estimated is ≈103/cm2. The nonlinear optical absorption(NLA) and refraction(NLR) properties are studied. Z-scan experiments reveal that five photon absorption(5PA )is responsible for nonlinear absorption when the wavelength and pulse width are 800 nm and 110 fs respectively. For 532 nm and 6 ns pulses, dielectric breakdown occurs before NLA could occur due to high pulse influence. CLBO is found to show negative nonlinear refraction under high intensities. Hygroscopicity of CLBO is attributed to the entry of water through the channels that are present along a and b axes, which in turn, cause cracking. Doping, is expected to modify the size of the channels. Since certain dopants are found to improve the stability of CLBO, substitution of Cs site with Zn and Gd is carried out to reduce the size of channels. As there was no significant improvement with doping experiments, an alternate approach is attempted by coating with SiO2 thin films on the optical elements to prevent the water molecules from entering lattice through the channels. The results and discussion of the above studies are presented in the chapter 4. Lithium niobate is the most widely used single crystal for fabricating optical modulators, waveguides, SAW devices and optical parametric oscillators. Although single crystals of this ferroelectric material were grown way back in 1965 by Ball-man and Fedulov independently, most of the work till the beginning of 90’s was concentrated on crystals with congruent composition(CLN) because there were no suitable methods available for growing homogeneous single crystals of stoichiomet-ric lithium niobate(SLN). Recently, Double Crucible Czochralski method with au-tomatic powder feeding technique and top seeded solution growth technique with Li2O and K2O fluxes are shown to produce SLN crystals. In this work, top seeded solution growth technique with58.6 mol% Li2O composition(self flux) is adopted to grow SLN crystals and the details of the growth and investigations are presented in chapter 5. Initially, crystal growth of SLN, and Zn & Nd codoped SLN are de-scribed. The maximum dimesions of the SLN crystals are 20 mm diameter and 35 mm length. CLN crystals(30mm diameter and 70 mm length) are also grown for comparison. The growth rate for SLN crystals is approximately 25 times lower than that for CLN. The maximum amount of Zn added to the melt is 2.5 mol%. For Nd codoping, four concentrations (0.2, 0.5, 0.9, 1.5 mol%) have been chosen with Zn concentration in the melt fixed at 2.5 mol%. Addition of Zn is to enhance the pho-torefractive damage threshold and Nd to use SLN as laser host. Structural studies on the grown crystals using powder X-ray diffraction show no additional phases. The domain structure analysis by chemical etching studies reveal that it is sensitive to doping and temperature gradient above the melt surface. The grown crystals possess good transmission in the UV-Vis-NIR region. Apparent increase in the dielectric constant found in doped crystals is attributed to space charge effect. In Nd:Zn codoped SLN, the parameters corresponding to lasing (Judd-Ofelt parameters, radiative transition probabilities, branching ratios) have been evaluated and found to be better than those obtained for codoped CLN. Surface laser damage and photorefractive damage thresholds are enhanced by 2 and 4 orders of magnitude respectively for the crystals grown with 2.5 mol% Zn in the melt. Nonlinear absorption and refraction studies using femtosecond Z-scan experiments reveal a correlation between the nonstoichiometric defects and nonlinear absorption & refraction coefficients. Polarization switching studies carried out on pure and Zn doped samples indicate an enhancement in switching rate at elevated temperatures. In the sixth and final chapter, a comprehensive summary of the present work and the scope for further investigations related to this work are given.

La glace de H2O est présente dans de nombreux environnements planétaires, et notamment sous forme de polymorphe de haute pression au sein des satellites de glaces ainsi que dans le manteau des planètes extrasolaires, dites planètes océan. La diversité des conditions thermodynamiques prédite au sein de ces corps planétaires a souligné le besoin de nouvelles données de laboratoire et de calculs sur les glaces de H2O afin de pouvoir modéliser leur évolution et leur structure interne.Si les propriétés structurales et spectroscopiques des pôles purs de ces glaces sont déjà relativement bien connues, une description pétrologique plus réaliste des solutions solides et des phases riches en impureté, manque encore à la communauté. Ce travail de thèse s'est concentré sur l'étude de la fusion des glaces VI et VII dans le binaire H2O-NaCl grâce aux techniques de cellules à enclumes en diamants et la spectroscopie vibrationelle Raman. Ces données ont été complétées par des mesures du fractionnement du sel analogue RbI entre les glace VI et VII et le fluide aqueux en utilisant la cartographie de fluorescence X et de diffraction des rayons X réalisées à l'European Synchrotron Research Facility (Grenoble). Ceci as permis de mettre en évidence une inversion de densité entre le fluide riche en sel et la glace VI et de révéler une forte différence de partage du sel entre la glace VI et la glace VII avec un coefficient de partage du RbI estimé à Kd(VI-VII)=4.5(±2.7)10-2.Au sein des plus gros corps riches en H2O appelés planète océan, le manteau de glace potentiellement épais de plus de 1000 km abrite un type de glace de ultra haute pression appelé glace X. Cette phase de la glace d'eau est unique de part sa structure cristallographique ionique, contrairement aux autres glaces de plus basse pression, toutes de structure moléculaire. Cette caractéristique structurale et l'absence de données concernant ses propriétés mécaniques ont motivé l'étude de ses propriétés élastiques et plastiques. Ainsi à partir de calcul ab initio et du modèle de Peierls Nabarro, j'ai pu déterminer une forte variation de l'anisotropie élastique avec la pression, les différentes structures de cœurs des dislocations vis et coin et les systèmes de glissement préférentiels au sein de la glace X dans son champ de stabilité de 100 à 350 GPa. Nos calculs suggèrent que la déformation de la glace X est toujours localisée sur le plan {110} et que le système <110>{110} contrôle la déformation plastique en dessous de 250 GPa et que le système <100>{110} est dominant à plus haute pression. Nos résultats montrent aussi que si l'anisotropie élastique augmente rapidement avec la pression, la plasticité de la glace X devient quasi-isotrope à 350 GPa.