Cette thèse s'inscrit dans la mouvance entourant les matériaux nanostructurés pour la photonique. Ces nouveaux composants, structurés à l'échelle de la longueur d'onde, offrent la possibilité de confiner le champ électromagnétique à une échelle très petite, ouvrant ainsi la voie à des composants optiques compacts. En outre, ces matériaux offrent également la possibilité de contrôler l'émission spontanée d'atomes émetteurs, et donc de concevoir des lasers à très bas seuil par exemple. Bien que les premières étapes visant à leur réalisation aient déjà été franchies, de nombreux problèmes subsistent. D'une part, ces matériaux étant structurés à l'échelle de la longueur d'onde, il est nécessaire pour les modéliser de résoudre les équations de Maxwell sans approximation. D'autre part, pour que ces composants puissent être utilisés en pratique, il faut parvenir à les connecter à d'autres composants optiques plus classiques. Malheureusement, le confinement du champ étant très différent entre ces deux types de composants, il survient immédiatement des pertes d'insertion élevées qui sont pressenties comme un verrou à lever pour les applications futures. C'est précisément sur ces deux problèmes que porte ma thèse. Dans la première partie, nous présentons une méthode originale de calcul de structures diffractives en optique guidée dérivée de la méthode modale de Fourier (RCWA). Cette nouvelle approche permet, en périodisant numériquement la structure que nous voulons étudier, d'appliquer des codes numériques développés à l'origine pour l'étude des réseaux de diffraction. Nous étendons ainsi de façon importante le champ d'application de la RCWA, lui permettant par exemple de calculer les caractéristiques de miroirs de Bragg ou de cavités intégrées. Dans la seconde partie, nous nous attaquons au problème des pertes d'insertion en développant des convertisseurs modaux efficaces pour des miroirs de Bragg intégrés courts. Pour ce faire, nous déformons progressivement le mode de Bloch fondamental du miroir en imposant au convertisseur un gradient d'indice complexe. Nos calculs numériques montrent que ces convertisseurs modaux peuvent être très courts, ouvrant ainsi la voie à la réalisation pratique de cavités courtes et à faibles pertes. Cette approche est validée pour des cavités fabriquées dans un substrat de silicium sur isolant.

Le couplage des traitements de surface mécaniques et thermochimiques a fait l’objet de nombreuses études ces dernières années. L’objectif d’un tel couplage est l’amélioration des cinétiques de diffusion d’espèces chimiques résultant en une augmentation des profondeurs de diffusion, et/ou une diminution de la température du traitement thermochimique sur les matériaux prétraités mécaniquement. Dans cette thèse, le procédé SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) de nanocristallisation superficiel par déformation plastique sévère a été combiné avec la nitruration plasma sur un acier inoxydable 316L de qualité médicale. Ce procédé duplex permet une amélioration notable sur la capacité de diffusion de l’azote sous la surface de l’acier SMATé. Une étape intermédiaire entre le SMAT et la nitruration plasma a été proposée ; son rôle significatif pour la diffusion de l’azote a été démontré. Ainsi, la comparaison des résultats obtenus après la nitruration plasma sur les échantillons SMATés avec ceux uniquement nitrurés a permis de constater une augmentation jusqu’à 60% de l’épaisseur des couches nitrurées. Par ailleurs, de nombreux moyens de caractérisation ont été mis en œuvre à travers divers essais mécaniques de fatigue et de tribologie. Un modèle numérique multi-échelle de diffusion a également été développé pour simuler les profils de concentration d’azote après traitement duplex. Les profils de concentration d’azote simulés sont en bon accord avec les résultats expérimentaux / Coupled mechanical and thermochemical surface treatments have been the subject of much research effort in recent years. The goal of such a coupling is to improve diffusion kinetics leading to increased penetration depths, and/or to decrease the treatment temperature for mechanically pretreated materials. In this work, SMAT (Surface Mechanical Attrittion Treatment), used to refine the grain size by severe plastic deformation, is combined with plasma nitriding of a 316L medical-grade stainless steel. This duplex process significantly improves nitrogen diffusion. An intermediate treatment between SMAT and plasma nitriding is also proposed and its significant effect on the nitrogen diffusion is demonstrated. Comparisons between nitrided-only samples and duplex-treated samples have shown up to 60% increase of the nitrided layer thickness. In order to better understand the link between the generated microstructures and the mechanical fatigue and tribological responses, the samples have been characterised by many different techniques. Also, a multiscale numerical model of the diffusion process is proposed in order to simulate the nitrogen concentration profiles after duplex treatment. The simulated and experimental profiles correspond rather well

Les applications des nanoparticules métalliques nécessitent des assemblées monodisperses et stables sur un substrat tel que le graphène ou le graphite. Le graphène épitaxié sur métal (GEM) est étudié, car il facilite l'auto-organisation des adsorbats. La différence entre les mailles du graphène et du métal conduit à un effet de moiré contenant certaines régions favorables de l'adsorption. Ce travail est consacré surtout aux systèmes Ru-C et Pt-C où nous nous sommes intéressé au substrat du GEM nu, des agrégats y etant deposés et des agrégats métalliques sur graphite. Les potentiels d'ordre de liason permettent de mener des études en dynamique moléculaire sur des systèmes de taille réaliste à température finie. Dans le cas du système Pt-C une paramétrisation est disponible dans la littérature. Cependant, pour le système du Ru-C une paramétrisation sur la base de données DFT était nécessaire. Ce modèle atomistique néglige les forces de dispersion importantes pour des milieux étendus. Basé sur les modèles de Grimme, nous avons développé une description implicite tenant compte de la structure du substrat et son extension semi-infinie. De plus les effets d'écrantage importants pour des milieux métalliques sont pris en compte. Basé sur ce champ de force nous montrons des propriétés des adsorbats sur des substrats carbonés où nous évaluons le modèle de forces de dispersion. Grâce à des simulations de dynamique moléculaire, la stabilité des adsorbats et du graphène a été étudié dans le contexte de la dynamique vibrationnelle et de diffusion. En accord avec les expériences, la mobilité des adsorbats sur graphite s'avère élevée en comparaison avec des adsorbats sur GEM / Applications of metal nanoparticles require monodisperse and stable assemblies on a substrate such as graphene or graphite. Epitaxial graphene on metal (GOM) has attracted research interest because it contributes to the self-organisation of adsorbates. The difference in the lattice constants of graphene and metal leads to a moiré that contains certain regions that are favorable for adsorption. This work is mainly concerned with the Ru-C and Pt-C systems where we were interested in the bare substrate of GOM, adsorbates deposited thereon and metal clusters on graphite. Bond order potentials allow to carry out molecular dynamics studies for systems of realistic size and at finite temperature. In the case of the Pt-C, a parametrization is available in the literature. However, for Ru-C systems a custom parametrization effort based on data from electronic structure calculations was necessary. This atomistic model neglects long ranged dispersion forces that are important for adsorption phenomena on extended substrates. Based on the Grimme models, we developed an implicit description that takes the layered structure and the semi-infinite extension of the substrate into account. Also, screening effects that are important for metal materials are taken into account. Based on this force field, we show results concerning the properties of adsorbates on carbon substrates while evaluating the dispersion model. With the help of molecular dynamics simulations, the stability of adsorbates and graphene has been studied in the context of vibrational and diffusion dynamics. In agreement with experiments, the mobility of the adsorbates on graphite is high in comparison with adsorbates on GOM

L'émission thermique à partir d'un corps chaud a été longtemps considérée comme étant large bande et quasi-isotrope. Aujourd'hui nous savons que ce paradigme est faux et de nombreux matériaux micro et nanostructurés ont été développés pour rayonner dans des bandes spectrales étroites et autour de certaines directions d'espace. Les techniques modernes de dépôt permettent maintenant de concevoir des structures complexes à base de matériaux métalliques, polaires ou diélectriques à l'échelle nanométrique. Ces avancées soulèvent la question de la meilleure structure possible pour obtenir des propriétés radiatives désirées et pour augmenter le degré de cohérence d'une source. Cependant, jusqu'à présent, seules des stratégies heuristiques basées sur une approche de type essai-erreur ont été suivies pour concevoir des sources thermiques. Dans ce travail de thèse, nous présentons une méthode générale pour le design ab-initio de sources thermiques cohérentes en champ lointain et en champ proche. Le cadre de ce travail est celui de la théorie des matrices de diffusion et de l'électrodynamique fluctuationnelle. De nouveaux effets de champ proche sont prédits théoriquement pour les matériaux nanostructurés multicouches. Ils ouvrent de nouvelles opportunités pour améliorer de façon significative les performances des technologies modernes de conversion d'énergie.