Le sujet de cette thèse est l'étude des effets de taille finie sur les propriétés fondamentales de matériaux utilisés dans les dispositifs associés au stockage magnétique de l'information. Nous proposons l'approche multiniveaux comme alternative possible pour augmenter les densités de stockage des media planaires ou perpendiculaires, continus ou discrets. En fonctionnement, une couche doit être manipulée sans modifier l'état magnétique des autres couches. La première partie de ce mémoire est consacrée à l'étude des effets de taille finie sur les couplages magnétostatiques dans des systèmes composés de deux couches ferromagnétiques à base de cobalt/platine à anisotropie perpendiculaire, séparées par un métal non-magnétique. Pour des états désaimantés, nous avons mis en évidence la corrélation des configurations en domaines des couches, attribuée aux couplages inter-couches. Pour différentes impulsions de champs, la réplication des domaines nous a permis d'observer des états rémanents singuliers permettant de mieux comprendre le phénomène. Pour des réseaux de nanostructures, la réplication due aux couplages intra-nanostructure se manifeste par un décalage en champ du cycle d'hystérésis sur la couche de plus faible champ coercitif. Le seconde partie de ce mémoire traite des effets de taille finie sur les propriétés d'anisotropie d'échange pour des bicouches ferromagnétique/antiferromagnétique typiquement utilisées dans les têtes de lecture d'ordinateurs. Pour des systèmes à anisotropie planaire, nous avons montré que les nanostructures et les antiferromagnétiques minces sont plus sujets à l'activation thermique. Il en résulte une augmentation ou une réduction du champ d'échange pour les nanostructures par rapport aux couches continues en fonction des conditions d'épaisseur d'antiferromagnétique et de température. Ces résultats permettent de lever certaines contradictions apparentes de la littérature. Pour des couches continues à anisotropie perpendiculaire, l'orientation relative des spins du ferromagnétique et de l'antiferromagnétique influence de manière significative les propriétés d'anisotropie d'échange. L'impression des domaines du ferromagnétique dans l'antiferromagnétique, par traitements thermiques permet de générer des cycles d'hystérésis « doubles » et d'ajuster leurs propriétés magnétiques. Des premiers résultats prometteurs concernant les effets de taille finie sur les propriétés des systèmes à anisotropie perpendiculaire ont été obtenus.

L'effet tunnel dépendant du spin dans une structure métal ferromagnétique/isolant/métal ferromagnétique, composant une jonction tunnel magnétique, connaît ces dernières années un regain d'intérêt avec sa mise en évidence à température ambiante et avec ses multiples applications potentielles pour l'élaboration de nouveaux dispositifs micro-électroniques (mémoires non-volatiles, capteurs magnéto-résistifs, etc). Dans une jonction tunnel magnétique la transmission par effet tunnel des électrons, polarisés par les électrodes magnétiques, dépend de l'orientation relative des aimantations des électrodes et des caractéristiques de la barrière isolante. La résistance d'une jonction tunnel magnétique varie de plus de 20% en modifiant de manière sélective l'orientation de l'aimantation d'une électrode par rapport à l'autre, en appliquant un champ. Pour cela, une architecture appelée douce-dure est utilisée. Elle repose sur l'association d'une couche magnétique dure et d'une couche magnétique douce comme électrodes magnétiques de la jonction tunnel. Un aspect novateur de ce travail de thèse repose sur l'utilisation d'un système antiferromagnétique artificiel comme système magnétique dur. Ce système, constitué de deux couches magnétiques (Co et/ou CoFe) d'épaisseurs différentes, ayant leurs aimantations arrangées antiparallèles par couplage à travers une couche non magnétique (Ru), permet d'obtenir une grande rigidité magnétique, ajustable, avec une grande stabilité thermique (>300°C). Ce travail de thèse nous a amené à élaborer des jonctions tunnel magnétiques de taille micronique et à étudier la corrélation entre leurs propriétés magnétiques et leurs propriétés de transport polarisé en spin à des échelles macroscopiques et microscopiques. Il s'est avéré que, grâce à la sensibilité extrême du transport par effet tunnel polarisé en spin aux fluctuations de l'aimantation aux interfaces métal ferromagnétique/isolant, les jonctions magnétorésistives sont des systèmes idéaux pour étudier sélectivement l'évolution de la structure en domaines des couches ferromagnétiques en contact avec la couche isolante en fonction du champ magnétique appliqué.

L'élaboration de modèles hydrodynamiques à des fins de gestion rationnelle des aquifères et des prélèvements à une échelle régionale nécessite la connaissance du fonctionnement hydrodynamique des aquitards.La caractérisation de ces formations semi-perméables implique de déterminer leurs propriétés géologiques, hydrodynamiques et leur degré d'hétérogénéité. La région de Bordeaux, soumise à d'importants prélèvements, sert ici de support d'étude pour appréhender le rôle des aquitards dans le fonctionnement hydrodynamique d'un multicouche complexe. La caractérisation de ces formations semi-perméables a été obtenue au travers d'approches directes, indirectes et numériques. L'outil diagraphique a permis une réinterprétation de la géologie et a abouti à la mise à jour de la géométrie hydro-géologique du domaine d'étude ainsi qu'à une nouvelle organisation verticale des unités aquifères et aquitards. Les propriétés hydrodynamiques des aquitards ont été approchées grâce à la réalisation d'un forage expérimental dédié à l'étude d'une éponte. Des mesures pétrophysiques et l'analyse des séries temporelles enregistrées en différents niveaux de l'aquitard ont été effectuées et ont fourni des estimations des paramètres de conductivité hydraulique et d'emmagasinement spécifique de l'aquitard. Enfin, l'approche quantitative du rôle des aquitards dans le fonctionnement hydrodynamique du système aquifère a été réalisée à l'aide d'un modèle hydrogéologique. Celui-ci prend en compte la géométrie revisitée, issue des données diagraphiques, et intègre les valeurs des paramètres hydrodynamiques obtenues par les mesures de laboratoire et in situ. Le modèle a été utilisé pour préciser les flux de drainance au sein du système multicouche ainsi que leurs proportions relatives. Les résultats démontrent l'impact et le rôle d'un horizon semi-perméable au sein d'un aquitard puissant. In fine, l'intégration des hétérogénéités d'un aquitard s'avère obligatoire dans l'élaboration d'outils de gestion raisonnée (quantitative et qualitative) à court et long terme des ressources en eau souterraines d'un système aquifère multicouche complexe.

Que ce soit pour les secteurs de l'aéronautique ou des chaussées dans lesquels ces travaux de recherche s'inscrivent successivement, les structures multicouches, par empilement successif de couches de différents matériaux, présentent l'avantage, lorsqu'elles sont conçues, de pouvoir être arrangées spécifiquement et aisément en fonction du rôle que l'on souhaite leur voir jouer. En mécanique, les propriétés et caractéristiques de chacune des couches, agrémentées par leur ordre d'empilement et leur liaison entre couches, constituent les facteurs essentiels du dimensionnement de l'assemblage final pour peu que l'on sache précisément ce qu'il doit subir, c'est-à-dire pour peu que l'on sache bien établir l'écriture des conditions aux limites afin de les prendre en compte dans l'outil de calcul. L'étude de l'endommagement des multicouches est en particulier complexe et se produit bien souvent sur ou près des interfaces aux bords de surfaces de discontinuités orthogonales au plan d'empilement. Le développement et l'utilisation d'outils adaptés est nécessaire pour l'analyse du comportement de telles structures. Les travaux de recherche synthétisés dans le mémoire scientifique, ont pour objectif de livrer des outils pour l'ingénieur afin d'évaluer en élasticité et viscoélasticité linéaire, les champs de contraintes et de déformations initiaux responsables d'endommagement dans les structures multicouches. Le manuscrit comporte deux parties à tailles inégales. La première partie concerne la mise au point et l'applicabilité des Modèles Multi-particulaires des Matériaux Multicouches (M4), depuis les travaux de thèse effectués à l'ENPC (Chabot, 1997) jusqu'à présent à l'Ifsttar pour l'étude en élasticité de décollement aux bords ou fissures verticales des structures multicouches. Dans la thèse, sous l'hypothèse des petites perturbations (HPP), une méthode de construction de modèles simplifiés a été développée en quatre étapes. Comme pour les plaques et coques, ces structures sont représentées par une géométrie surfacique. La particularité de ces modèles est qu'en chaque point de cette surface il y a une multi-particule. Chaque particule représente une couche de matériau supposé homogène. Le problème à résoudre est ainsi réduit d'une dimension. Pour ce faire, les efforts généralisés de couche et d'interface sont définis et introduits dans les champs de contraintes à l'aide approximations polynomiales suivant l'épaisseur. Pour déterminer le comportement et équations généralisées du modèle, la formulation d'Hellinger-Reissner du problème élastique 3D est utilisée. En fonction des choix d'approximation des champs de contrainte, le modèle résultant approché a une cinématique plus ou moins riche. L'avantage de ces modèles est qu'ils conduisent à une intensité finie des champs de contraintes d'interface près des bords. L'écriture de critère d'initiation de fissuration d'interface en contrainte maximum ou en taux de restitution d'énergie est possible. Sur les premières applications faites pour les matériaux composites, deux des modèles proposées sont particulièrement intéressants. Plusieurs solutions quasi-analytiques sur stratifiés troués ou non sont reportés dans le document. Ces modèles sont utilisés et développés à l'Ifsttar pour le domaine des chaussées en vue de mettre au point un outil de calcul de structure de chaussée rapide et un essai de caractérisation d'interface. Pour l'outil de calcul de structure, nommé FissuRoute, la thèse de Tran (2004) a permis de coupler le M4-5n (à 5 champs cinématiques par couche, n : nbre total de couche) pour les couches de chaussées à un massif de Boussinesq (B) pour le sol. Les effets des gradients thermiques dans les matériaux ont été introduits dans le modèle M4-5nB ainsi construit. Les équations ont été résolues à l'aide du schéma numérique de Newmark. Elles ont été comparées avec succès par rapport à des simulations éléments finis 3D avec un gain de temps de calcul CPU non négligeable mais restant conséquent par rapport à l'objectif fixé initialement. Pour augmenter la rapidité des calculs, la modélisation du sol a été simplifiée par l'utilisation d'un massif de Winkler (W) et un nombre réduit de couches équivalentes pour la structure de chaussée. Différents stages de Master 2 conduisent à conclure, dans le cas restreint des déformations planes, que le M4-5nW ainsi proposé semble prometteur pour construire l'outil final visé. Par ailleurs, dans la thèse de (Pouteau, 2004), en parallèle d'essais accélérés en vrai grandeur sur chaussée en Béton de Ciment Mince Collé (BCMC), le M4-5n a été utilisé pour l'étude en laboratoire de la durabilité du collage d'interface béton de ciment sur enrobés bitumineux. La thèse de (Hun, 2012) a permis d'améliorer l'essai de caractérisation du collage de Pouteau afin de prendre en compte, en plus des effets de la flexion, les effets environnementaux de l'eau sur ce type d'interface. A l'aide d'outils d'analyse d'image, la validation des expressions analytiques des taux de restitution d'énergie M4-5n sur éprouvettes bi-matériaux ainsi testées en flexion 4 points, par rapport aux formules de Dunders, a été faite avec succès dans le cadre des déformations planes. Des comparaisons sont en cours au niveau international (TC241-MCD de la RILEM www.rilem.org). La seconde partie du mémoire d'HdR présente des travaux de recherche effectués à l'Ifsttar pour l'évaluation sous charges roulantes du comportement structurel des chaussées à base de matériaux bitumineux considérés viscoélastiques et thermo-susceptibles. De même que précédemment l'objectif visé est de pouvoir offrir aux ingénieurs un outil de calcul simple d'utilisation pour l'étude spécifique et paramétrique du comportement des couches bitumineuses de chaussées soumises à des conditions de chargement particulières. Pour ce faire, un modèle de structure multicouches 3D semi-infinie en z et infini dans le plan a été développé en HPP en coopération avec l'Ecole des Ponts Paris Tech. Ce modèle prend en compte les lois de comportement élastique usuel et thermo-viscoélastique spécifique de Huet-Sayegh (1963-65). Les chargements roulants à pression de contact soit ponctuel, soit elliptique, soit rectangulaire, peuvent être à la fois verticaux ou latéraux contrairement au logiciel Alizé utilisé pour la méthode française de dimensionnement des chaussées. Plusieurs charges différentes en simultané peuvent être introduites rendant ainsi possible en théorie l'étude de chargement à pression non uniforme. La méthode de résolution quasi-analytique des équations utilise un changement de variable et des techniques de transformations de Fourrier. Le modèle a, en particulier, été validé par comparaison avec des cas expérimentaux accélérés en vrai grandeur sur le manège de fatigue des chaussées de l'Ifsttar. Ce modèle est programmé dans le logiciel de calcul ViscoRoute©2.0 déposé et distribué gratuitement depuis fin 2009. Sur la scène internationale, les résultats du logiciel ViscoRoute© ont été comparés avec succès avec ceux du logiciel VEROAD développé par les Pays-Bas et le 2ème autre logiciel équivalent, nommé 3D-Move, développé par l'Université de Réno (Nevada, USA). Pour différents cas de chargement, cette partie illustre l'intérêt de prendre en compte le comportement spécifique des matériaux bitumineux. Ainsi différentes études ont pu être faites : évaluation des champs mécaniques dans les chaussées aéronautiques, effets des accélérations et décélérations de chargement type tramway sur pneu, limite de validité de la méthode de dimensionnement des chaussées française, calcul de la résistance au roulement des poids lourds sur chaussées bitumineuses, etc. Enfin, le post-doc de Chupin (2008) a également permis de développer le logiciel dans une version recherche, pour prendre en compte le glissement d'interface entre couches de matériaux.

Ce travail décrit une étude quantitative de plusieurs systèmes de reconnaissance biomoléculaire impliquant des interactions multivalentes.<br />Deux chapitres sont axés sur l'utilisation de plateformes supramoléculaires cyclodécapeptidiques appelées RAFT (Regioselectively Adressable Functionnalized Template) permettant la présentation multiple de ligand saccharidique ou cyclopeptidique. Une étude cinétique et thermodynamique des interactions entre les ligands RAFT-saccharide et une lectine modèle, la concanavaline A, a permis de démontrer que deux mécanismes moléculaires sont à l'origine de la meilleure affinité des RAFT multivalents par rapport à leurs homologues monovalents : d'une part un effet de « proximité-statistique » dû à la concentration locale élevée en motif sucre et d'autre part la capacité des RAFT multivalents à se lier à plusieurs lectines selon un effet « cluster ». Des études préliminaires ont également concerné l'analyse de l'interaction entre RAFT-RGD et des récepteurs cellulaires.<br />Dans un dernier chapitre, nous avons démontré, pour la première fois, la formation de films multicouches grâce à des interactions de type hôte-invité entre deux biopolymères de chitosane, l'un fonctionnalisés par des cavités Β-cyclodextrine et l'autre par des entités adamantane. Bien que la stabilité de l'assemblage soit assurée par des interactions de complexation multivalentes, la croissance de l'assemblage, quant à elle, dépend de la disponibilité des sites de complexation offerts par chacune des couches. De plus, les deux polymères chargés positivement confèrent à l'assemblage des propriétés de gonflement-dégonflement en réponse à des variations de force ionique et pH.

Dans un contexte où le développement durable apparaît comme une priorité majeure, la mise au point de matériaux biodégradables, représente un enjeu majeur qui offre une alternative aux polymères synthétiques. L'objectif de cette thèse est donc de développer un système multicouche biodégradable susceptible de se substituer au polystyrène expansé dans le domaine de la barquette alimentaire. Ce multicouche est constitué de deux films de polycaprolactone en tant que couches externes et d'une âme en amidon de pomme de terre. Cet amidon a été expansé et renforcé par des fibres naturelles (chanvre, cellulose, paille de blé, linter de coton). L'influence d'agents de nucléation dans les formulations a été analysée. Après optimisation des conditions de mise en oeuvre par extrusion et laminage-couchage, la tenue mécanique du produit, ainsi que sa résistance à l'eau, sa microstructure (taille des cellules, épaisseur des parois) et sa biodégradabilité ont été déterminées et optimisées

Dans l'optique d'une miniaturisation dans le secteur de la microélectronique et plus particulièrement dans celui de la téléphonie mobile, les matériaux pérovskites à très haute constante diélectrique sont des candidats intéressants au remplacement des diélectriques actuellement utilisés dans l'élaboration des capacités Métal/Isolant/Métal (MIM). Ce travail est consacré à l'élaboration et à la caractérisation de couches minces de titanate de strontium (SrTiO3) et de titanate de baryum (BaTiO3) déposées par pulvérisation par faisceau d'ions (IBS) dans des structures capacitives MIM Pt/diélectrique/Pt.<br />Une optimisation des dépôts à l'aide de plans d'expériences a été réalisée afin d'obtenir la constante diélectrique la plus élevée et ce, pour des températures d'élaboration les plus faibles possibles en vue de l'intégration des structures MIM sur les circuits intégrés.<br />Des analyses d'EXAFS, de XRR et d'AFM TUNA nous ont permis de comprendre l'influence de la microstructure des matériaux (taille de grain) et de la technologie d'élaboration des capacités (épaisseur de diélectrique, procédé de gravure de l'électrode supérieure et nature des électrodes) sur les propriétés des capacités MIM.<br />Une étude des multicouches SrTiO3/BaTiO3 a également été menée dans le but d'observer l'influence de la périodicité des empilements sur leurs propriétés électriques (constante diélectrique, linéarité en tension).

Ce mémoire est consacré à la fois à l'exploitation d'une technologie multicouche et au développement de méthodes de synthèse et de concepts dédiés au filtrage hyperfréquence. <br /><br />Le premier objectif de notre travail vise à montrer les capacités et les avantages d'une technologie multicouche pour la réalisation de structures passives destinées à des applications spatiales. Les potentialités recherchées, et chères à l'industrie spatiale sont la réduction de taille à outrance. Ce point critique constitue encore aujourd'hui un enjeu majeur au niveau des fonctions passives. Nous montrons, au travers de structures de propagation spécifiques 2,5D et 3D, de quelles manières leur utilisation permet d'apporter des solutions attractives, notamment en termes d'accès à des gammes d'impédances caractéristiques et de couplages élargies. Celles-ci permettent de lever un grand nombre de verrous technologiques. Des topologies particulières du type « DBR » (Dual Behavior Resonator) et « open-loop » ont été examinées en s'appuyant sur les spécifications de référence d'un filtre d'un récepteur en bande C.<br /><br />Le second objectif concerne l'exploitation des couplages de proximité apparaissant dans les topologies de filtres plaqués à base de stubs, et plus particulièrement DBR, dans le dessein de concevoir des structures de filtrage plus performantes. Dans ce cadre, nous proposons une démarche de synthèse s'appuyant sur une matrice nodale.<br /><br />Enfin, nous faisons converger ces deux objectifs en exploitant conjointement des topologies DBR et l'outil de synthèse matriciel en contexte multicouche. Le développement de topologies multiniveaux permet d'apporter de nouveaux degrés de liberté dans la conception pour répondre aux besoins accrus de miniaturisation et de performance des dispositifs.

Les puces à ADN, ont vu le jour à la fin du vingtième siècle. L'utilisation de l'Imagerie par Résonance des Plasmons de Surface dans de tels outils est très prometteuse. En effet, cette technique permet de suivre en temps réel et en parallèle, sans l'usage de marqueur, différentes interactions se déroulant sur une surface métallique. Elle nous a servi pour analyser les interactions ADN/ADN dans le but du diagnostic génétique. Pour cela nous avons fixé des molécules d'ADN biotinylées sur une surface d'or par l'intermédiaire d'une structure auto-assemblée composée successivement un acide thiolé, d'un polymère chargé positivement et de l'ExtrAvidine. L'analyse des interactions ADN/ADN montre que le système employé permet de distinguer la formation d'un double brin d'ADN totalement complémentaires de celle d'un double brin avec une mutation. Cette distinction est nette pour une délétion. Le cas plus subtil d'une substitution nous a poussé à examiner l'effet de la longueur des ADN sur la réponse optique du système. Cette étude a fait ressortir l'influence de la température de fusion des séquences sur le signal obtenu. La représentation des résultats en fonction de ce dernier paramètre a permis de les modéliser, d'expliquer la différence de comportement des diverses molécules utilisées et de prédire le résultat des hybridations entre oligonucléotides quelconques. Ainsi, pour valider notre modèle, nous avons conçu un ensemble de séquences capable de révéler six des plus fréquentes mutations de la mucoviscidose. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les résultats théoriques. Les premiers essais de diagnostic génétique sont prometteurs.

Pour les applications aéronautiques, les fibres en céramique piézoélectrique à âme métallique permettent d'imaginer des solutions pour avoir des dispositifs actifs et des capteurs complétement intégrés dans des structures, telles que les composites renforcés par des fibres.La démarche de cette étude est d'élaborer et de caractériser de telles fibres qui présentent de nombreux avantages : l'activation en mode radial permet d'utiliser de faibles tensions de commandes, l'utilisation d'un cœur et d'une matrice conducteurs permet de s'affranchir du dépôt d'électrodes et de garantir leur continuité, la présence d'un coeur métallique améliore la résistance mécanique de la fibre, l'utilisation sous forme de fibres fines et longues permet de l'intégrer à des profils de formes complexes sur de grandes longueurs. Dans un premier temps, le procédé d'enduction est utilisé pour la réalisation de ces fibres en déposant des particules céramiques à base de titano-zirconate de plomb (PZT) sur des fils de platine. Le développement et l'optimisation d'un procédé multicouche permet de réaliser des fibres avec des épaisseurs parfaitement contrôlées pour obtenir les capacités de déformations optimales en alternant des cycles dépôt/traitement thermique avant une opération de frittage finale. La caractérisation d'échantillons massifs traités dans les mêmes conditions permet de s'assurer des propriétés piézoélectriques atteintes pendant les différents traitements thermiques. Les caractérisations électromécaniques réalisées sur les fibres permettent de vérifier le comportement en tant qu'actionneur et que capteur, bien qu'il s'avère difficile de remonter aux caractéristiques intrinsèques des fibres.Dans un second temps, une réflexion est menée sur les moyens à mettre en oeuvre pour envisager un développement à grande échelle de ce type de fibre. Dans ce sens, des expérimentations sur la mise en place du procédé continu de coextrusion avec un polymère chargé sont menées, de même que sur la réduction de la température de frittage à l'aide d'additifs pour substituer les fils en platine, mais aussi sur la réduction du temps de frittage à l'aide de techniques non conventionnelles comme le frittage laser et le frittage micro-ondes. Ces investigations ouvrent des pistes sérieuses pour imaginer une production continue de fibres piézoélectriques à âme métallique.Enfin, des travaux de modélisation par éléments finis du comportement de ces fibres, intégrées ou non dans une structure, permettent de mettre en évidence l'influence du dimensionnement des fibres sur les déformations résultantes, en fonction notamment de l'épaisseur du matériau actif déposée et des propriétés élastiques des différents éléments. Différentes configurations sont imaginées pour utiliser ces fibres dans des structures en tant qu'actionneur et capteur.