Cette thèse porte sur l'étude et le comportement mécanique et vibrationnel du verre de silice. Des méthodes de dynamique moléculaire classique sont appliquées pour modéliser le verre à l'aide d'un potentiel BKS tronqué. La validité du modèle est testée au travers de comparaisonsstructurales et dynamiques avec des expériences de diffusion de rayons X et de neutrons. L'échantillon numérique est sollicité mécaniquement, et sa réponse à la déformation (compression hydrostatique, cisaillement à volume ou à pression cnostante dans les régimes élastiques et au-delà de la limite d'élasticité) est étudiée dans le cadre de la théorie classique de l'élasticité. L'utilisation de la dynamique moléculaire nous a permis de nous orienter vers une approche microscopique via l'étude du déplacement non-affine, qui semble expliquer des comportements macroscopiques encore peu décrits dans la littérature. En particulier, l'origine de l'anomalie du module de compressibilité dans la silice a pu être reliée à un comortement micro-plastique, et la courbe de charge (limite du domaine élastique) a été obtenue. En complément aux chargements mécaniques, des études expérimentales de spectroscopie Raman sous cellule enclume diament ont été réalisées et comparées aux spectres Raman modélisés à partir de configuration de silice chargées mécaniquement. Enfin, nous avons ou discuter de la validité de la description théorique ainsi que ses limites.

Les activités de recherche, présentées dans le cadre de cette HDR, portent sur l'étude du comportement plastique des métaux à travers un travail de modélisation des propriétés des dislocations. Différents outils de simulation ont été utilisés et développés pour étudier la plasticité dans les métaux servant de matériaux de structure, et plus particulièrement les métaux d'intérêt pour l'industrie nucléaire. Dans les alliages à base de fer ou à base de zirconium, la plasticité est contrôlée à basse température par le glissement des dislocations vis. Les simulations atomiques permettent d'étudier les propriétés de cœur de ces dislocations et ainsi de mieux comprendre et quantifier les mécanismes mis en jeu au cours de leur glissement. Néanmoins, la modélisation des dislocations à cette échelle nécessite des techniques particulières à cause du champ élastique créé à longue distance qu'il est impératif de prendre en compte. Une approche reposant à la fois sur les simulations atomiques (simulations en potentiels empiriques ou calculs ab initio) et la théorie élastique a donc été développée afin de pouvoir simuler à une échelle atomique les dislocations et extraire de ces simulations des données quantitatives transposables aux échelles supérieures. Cette approche a été appliquée au fer, pour décrire la variation des propriétés de cœur des dislocations en fonction de leur caractère, ainsi qu'au zirconium, pour identifier l'origine de la forte friction de réseau observée dans les alliages de zirconium et mieux comprendre la compétition entre les différents systèmes de glissement. À haute température, les mouvements des dislocations autres que le glissement simple deviennent importants pour comprendre le développement de la déformation plastique. La montée, correspondant à un déplacement des dislocations à composante coin dans une direction perpendiculaire à leur plan de glissement, est, avec le glissement dévié, un de ces mécanismes opérant à haute température. Une étude à différentes échelles de la montée des dislocations a été réalisée, permettant d'implémenter ce mouvement de montée dans des codes de dynamique des dislocations, et par conséquent de mieux modéliser la déformation à chaud à l'aide de ces codes.

L'évolution des structures poreuses du graphite et de la vermiculite expansés a été étudiée insitu sous pression uniaxiale. Les propriétés d'un matériau résultant des propriétés intrinsèques à lamatrice et de celles dues à la porosité, les études faites dans ce travail ont porté sur deux échellesdifférentes. Les évolutions structurales de la structure cristalline du graphite et de la vermiculite ontd'abord été étudiées à haute pression en cellule à enclumes de diamant. Cette partie du travail a permisd'établir les équations d'état de la vermiculite et de contribuer, de manière significative, à lacaractérisation de la phase haute pression du graphite: une nouvelle phase, le Carbone Z, a étéproposée après l'analyse des données de la spectroscopie Raman couplée aux simulations. Desdéveloppements techniques ont été particulièrement réalisés pour permettre d'étudier in situl'évolution de la porosité sous pression par diffusion aux petits angles sous pression. L'application dumodèle fractale à l'analyse des données a permis de suivre l'évolution de la dimension fractale et de lasurface spécifique apparente. Les échantillons étudiés sont des formes comprimées de graphite et devermiculite expansés dans lesquelles les plans basaux des cristallites ont une orientation préférentielle.Sous pression uniaxiale, la structure poreuse du graphite expansé comprimé évolue à travers uneffondrement irréversible des pores ou un cisaillement de la matrice suivant l'orientation de la pressionappliquée par rapport à l'orientation préférentielle des plans basaux des cristallites. Des expériencescomplémentaires de mesures électriques et de mesures de la porosité par intrusion de mercure ontpermis de confirmer ces modèles proposés. Dans la vermiculite expansée comprimée, les fissuresapparaissent, de manière générale, sous l'effet de la pression uniaxiale.

L'étude de l'émission intégrée et résolue en temps de quatre configurations d'hétérostructures quantiques de type points-dans-un-fil d'InGaN/GaN nous a permis de déterminer la nature de la localisation et du mécanisme de recombinaison des porteurs de charge dans ces nanofils. Des mesures de comptage de photon unique correlés en temps (TCSPC) étendues sur une plage temporelle allant de 210 à 26000ns ont permis d'observer un comportement fortement non exponentiel de l'émission que nous avons déterminé être une loi de puissance. Nous avons trouvé que le temps de vie de l'émission diminue rapidement avec l'énergie d'émission. Par contre, l'observation d'un effet de la puissance d'excitation sur le temps de vie semble indiquer qu'à une énergie d'émission ne soit pas associée une seule dynamique d'émission à long temps. En utilisant une densité d'excitation laser de seulement quelques dizaines de watt par cm au carré, nous avons pu démontrer, en régime non perturbatif, que le profil des spectres d'émission intégrés en temps ainsi que la dynamique de l'évolution temporelle de l'émission étaient tout à fait compatibles avec une recombinaison radiative centrée sur une distribution de nano-agrégats riches en indium naturellement formés lors de la croissance des nanofils par MBE assistée par plasma. Cette conclusion est supportée par notre incapacité à observer l'effet Stark à confinement quantique, le succès d'un modèle de séparation de charges parfaitement compatible avec l'image des nano-agrégats d'indium et, finalement, par l'observation d'une émission principalement isotrope en polarisation. / We have performed time-integrated and time-resolved photoluminescence measurements on four different configurations of InGaN/GaN dot-in-a-wire heterostructures in order to further our understanding of the localization and radiative recombination mechanism involved in the process of emission. Time correlated single photon counting (TCSPC) measurements from 100 ns to 26000 ns have allowed us to observe a strong non-exponential decay which follows a power law on long time scale. The characteristic exponent of this power law is strongly correlated with the emission energy, causing the life-time of the emission to fall rapidly with increasing of its energies. The observation that the excitation power has an effect on the life-time shows that other factors such as the growth conditions must be involved in the coupling between life-time and energy. Using a low power density of a few tens of watts per cm squared, we have shown, in a non perturbative regime, that the shape of the time-integrated spectra and the dynamics of the time-resolved decay curves were consistent with a radiative recombination process centered on In-rich nanocluster. These nanoclusters naturally occur in the embedded InGaN inclusions during the growth by plasma-assisted MBE. This conclusion is supported by the absence of Quantum confined Stark effect. The success of a charge separation model is perfectly consistent with the emission centered on In-rich nanocluster and the observation of a quasiperfect isotropic emission. / Mesures effectuées dans le laboratoire de caractérisation optique des semi-conducteurs du Prof. Richard Leonelli du département de physique de l'université de Montréal. Les nanofils d'InGaN/GaN ont été fournis par le groupe du Prof. Zetian Mi du département de génie électrique et informatique de l'université McGill.

Dans cette thèse on étudie certaines applications de modèles simples de la physique théorique au trafic piétonnier. Ces modèles sont tous des automates cellulaires, plus précisément des processus d'exclusion. Dans la première partie de le thèse on étudie un système unidimensionnel, le processus d'exclusion simple totalement symétrique (TASEP), un modèle paradigmatique de particules qui sautent dans une direction favorisée sur un réseau. Le TASEP peut être utilisé pour modéliser de nombreux phénomènes de transport, et ici on l'étudie avec des schémas de mise à jour adaptés aux piétons. Le "frozen shuffle update", schéma plutôt régulier, est défini et ses propriétés principales sont déterminées exactement sur un anneau, avec conditions aux bords ouvertes et pour deux voies qui se croisent en un seul site. Une théorie du domain wall (mur séparant des domaines) exacte au niveau microscopique est alors construite pour un TASEP avec mise a jour parallèle. On montre que cette dernière est en désaccord avec les prédictions précédentes et que la différence vient de corrélations à courte portée qui sont habituellement négligées pour les schémas de mise à jour présentant des fluctuations plus importantes. Dans la seconde partie on combine plusieurs TASEP afin de former un croisement à deux dimensions comprenant deux flux de particules qui s'intersectent perpendiculairement. Sur un tore on observe une alternance de diagonales de particules de chaque type qu'on voit aussi chez les vrais piétons. Cette structure est alors expliquée par une analyse de stabilité linéaire d'équations type champ moyen. Avec des conditions aux bords ouvertes les diagonales s'inclinent légèrement, donnant naissance à "l'effet chevron", qu'on observe aussi bien pour les particules que pour les équations. L'effet chevron est fondamentalement nonlinéaire, mais peut tout de même être expliqué par des calculs d'interactions effectives entre les particules, de manière similaire à ce qui est fait en mécanique des fluides. Pour finir, quelques généralisations naturelles sont rapidement étudiées numériquement pour tester l'applicabilité du modèle aux piétons et la possibilité de mesurer l'effet chevron dans des expériences.

Depuis les années 60, les auto-assemblages de monoglycérides font l'objet de nombreusesrecherches. En effet, une fois émulsifiés, ces systèmes de taille nanométrique, sont constitués degouttelettes contenant une phase aqueuse, lipidique et une interface très importante, offrant ainsi lapossibilité de solubiliser tous types de molécules. Ces réservoirs potentiels à molécules sontcependant assez fragiles et nécessitent des recherches plus abouties afin de pouvoir les rendreutilisables dans les domaines de l'alimentaire, de la pharmaceutique, de la cosmétique ou de lamédecine.Nous avons montré la possibilité de diversifier l'émulsifiant utilisé pour stabiliser ces Isasomes,permettant de faire varier à volonté les tailles de gouttelettes ainsi que leur charge de surface. Lesucrose stéarate s'est montré une très bonne alternative au F127 classiquement utilisé. Lesconditions de fabrication et de stockage sont déterminantes dans la compréhension des Isasomes etde l'évolution de leurs structures internes. En effet, dans le cas des mélanges monolinoléine/limonène,ce dernier s'est vu décrire une évaporation dans le temps qui modifie ainsi les structures internes. Cephénomène a été décrit pour la première fois.Une fois les influences des conditions opératoires définies, nous avons utilisé ces Isasomes commeréservoirs à molécules d'intérêt. Nous avons alors décrit les différentes influences que ces moléculesont sur les structures internes, en fonction, de leur structure, de leur masse moléculaire et de leursolubilité. Enfin, nous avons utilisé les Isasomes comme vecteurs pour des moléculesmédicamenteuses. Leur utilisation a permis d'améliorer la disponibilité et l'efficacité de tellesmolécules.

La réduction (" scaling ") continue des dimensions des transistors MOSFET nous a conduits à l'ère de la nanoélectronique. Le transistor à effet de champ multi-grilles (MultiGate FET, MuGFET) avec l'architecture "nanofil canal" est considéré comme un candidat possible pour le scaling des MOSFET jusqu'à la fin de la roadmap. Parallèlement au scaling des CMOS classiques ou scaling suivant la loi de Moore, de nombreuses propositions de nouveaux dispositifs, exploitant des phénomènes nanométriques, ont été faites. Ainsi, le transistor monoélectronique (SET), utilisant le phénomène de "blocage de Coulomb", et le transistor à atome unique (SAT), en tant que transistors de dimensions ultimes, sont les premiers dispositifs nanoélectroniques visant de nouvelles applications comme la logique à valeurs multiples ou l'informatique quantique. Bien que le SET a été initialement proposé comme un substitut au CMOS ("Au-delà du dispositif CMOS"), il est maintenant largement considéré comme un complément à la technologie CMOS permettant de nouveaux circuits fonctionnels. Toutefois, la faible température de fonctionnement et la fabrication incompatible avec le procédé CMOS ont été des contraintes majeures pour l'intégration SET avec la technologie FET industrielle. Cette thèse répond à ce problème en combinant les technologies CMOS de dimensions réduites, SET et SAT par le biais d'un schéma d'intégration unique afin de fabriquer des transistors " Trigate " nanofil. Dans ce travail, pour la première fois, un SET fonctionnant à température ambiante et fabriqués à partir de technologies CMOS SOI à l'état de l'art (incluant high-k/grille métallique) est démontré. Le fonctionnement à température ambiante du SET nécessite une île (ou canal) de dimensions inférieures à 5 nm. Ce résultat est obtenu grâce à la réduction du canal nanofil ''trigate'' à environ 5 nm de largeur. Une étude plus approfondie des mécanismes de transport mis en jeu dans le dispositif est réalisée au moyen de mesures cryogéniques de conductance. Des simulations NEGF tridimensionnelles sont également utilisées pour optimiser la conception du SET. De plus, la cointégration sur la même puce de MOSFET FDSOI et SET est réalisée. Des circuits hybrides SET-FET fonctionnant à température ambiante et permettant l'amplification du courant SET jusque dans la gamme des milliampères (appelé "dispositif SETMOS" dans la littérature) sont démontrés de même que de la résistance différentielle négative (NDR) et de la logique à valeurs multiples. Parallèlement, sur la même technologie, un transistor à atome unique fonctionnant à température cryogénique est également démontré. Ceci est obtenu par la réduction de la longueur de canal MOSFET à environ 10 nm, si bien qu'il ne comporte plus qu'un seul atome de dopant dans le canal (diffusée à partir de la source ou de drain). A basse température, le transport d'électrons à travers l'état d'énergie de ce dopant unique est étudié. Ces dispositifs fonctionnent également comme MOSFET à température ambiante. Par conséquent, une nouvelle méthode d'analyse est développée en corrélation avec des caractéristiques à 300K et des mesures cryogéniques pour comprendre l'impact du dopant unique sur l'échelle MOSFET à température ambiante.

Le but de cette thèse est l'étude des propriétés de jonctions tunnel magnétiques à aimantation perpendiculaire, en utilisant l'anisotropie perpendiculaire présente à l'interface entre un métal magnétique et un oxyde. En théorie, dans le cas des applications mémoires, les jonctions tunnel perpendiculaires devraient nécessiter moins d'énergie (courant) pour l'écriture par courant polarisé en spin. Mais la fabrication de telles structures représente un défi et une tâche difficile puisque les propriétés de transport (TMR) et d'anisotropie imposent des contraintes sur les matériaux utilisées en limitant la fenêtre de travail, notamment en ce qui concerne l'épaisseur des couches magnétiques. Pour atteindre cet objectif nous avons tout d'abord étudié les propriétés de ces structures comme l'anisotropie de l'interface métal magnétique-oxyde, le transport tunnel et le couplage entre les couches magnétiques à travers la barrière isolante. L'amplitude de l'anisotropie d'interface entre un métal magnétique et un oxyde dépend de l'épaisseur des couches magnétiques, de la température de recuit et la concentration de l'oxygène à l'interface. Différentes structures ont été réalisées afin de choisir la structure la mieux adaptée pour les applications mémoires MRAM. Une corrélation entre la TMR et l'anisotropie a été observée permettant de valider l'origine de l'anisotropie perpendiculaire : la formation de liaisons métal magnétique-oxygène. Un couplage antiferromagnétique à été aussi observé entre les couches magnétiques à anisotropie perpendiculaire à travers l'oxyde. Une étude détaillée sur le couplage a été faite en fonction de la température de recuit et de l'épaisseur des couches magnétiques pour mieux comprendre l'origine du couplage et une possible relation avec l'amplitude de l'anisotropie perpendiculaire. Finalement des jonctions perpendiculaires ont été nano-lithographiées et des mesures de commutation d'aimantation par transfert de spin sur des piliers nanométriques ont été réalisées avec de faibles courants critiques.

Ce travail aborde le sujet des d efauts charg es dans le silicium. Jusqu' a pr esent, les d efauts charg es ont principalement et e etudi es en conditions p eriodiques (PBC). En e et, l'approche PBC est parfaite pour simuler unsolide in ni. Mais, comme je le montre dans ce chapitre, elle apporte aussi des artefacts. En particulier dans le traitement de l' electrostatique, o u des traitements math ematiques important doivent ^etre utilis es pour supprimer les interactions non d esir ees entre r epliques. Notre approche vise a simuler correctement un d efaut charg e, tout en conservant de bonne propri et es pourle mat eriau massif. Elle consiste a simuler le d efaut dans un nano-agr egat. Le traitement de l' electrostatique est correct dans un nano-agr egat et les r esultats obtenus peuvent ^etre extrapol es au mat eriau massif, comme il est montr e dans ce chapitre. Les perspectives de cette m ethode sont aussi abord ees ici.

Il y a des indications que les nanocristaux de silicium (nc-Si) présentent un gain optique qui est potentiellement assez grand pour permettre l'amplification optique dans la gamme de longueurs d'ondes où une photoluminescence (PL) intense est mesurée (600- 1000 nm). Afin de fabriquer des cavités optiques, nous avons implantés des morceaux de silice fondue avec des ions de Si pour former une couche de nc-Si d'une épaisseur d'environ 1 μm. Le Si a été implanté à quatre énergies comprises entre 1 MeV et 1,9 MeV de manière à obtenir une concentration atomique de Si en excès variant entre 25% et 30%. Les pièces ont été flanquées de miroirs diélectriques composés de filtres interférentiels multicouches. Sur une plage de longueurs d'ondes d'environ 200 nm de large, un filtre réfléchit près de 100%, alors que l'autre a une réflexion moyenne d'environ 90%. Nous avons mesuré et comparé les spectres de PL de trois échantillons: le premier sans miroir, le second avec des filtres réfléchissant autour de 765 nm (entre 700 nm et 830 nm), et la troisième avec des filtres agissant autour de 875 nm (entre 810 nm et 940 nm). Lorsque les échantillons sont excités avec un laser pulsé à 390 nm, des mesures de photoluminescence résolue dans le temps (PLT) révèlent des taux de décroissance plus rapides en présence de miroirs dans le domaine de longueurs d'onde où ceux-ci agissent comparé aux échantillons sans miroirs. Aussi, l'intensité PL en fonction de la fluence d'excitation montre une augmentation plus rapide de la présence de miroirs, même si celle-ci reste sous-linéaire. Nous concluons que de l'émission stimulée pourrait être présente dans la cavité optique, mais sans dominer les autres mécanismes d'émission et de pertes. / There are indications that silicon nanocrystals (nc-Si) exhibit an optical gain that is potentially large enough to enable optical amplification in the wavelength range where intense photoluminescence (PL) is measured (600-1000 nm). We fabricated optical cavities on fused silica pieces ion-implanted with Si in order to form a nc-Si layer with a thickness of about 1 μm. Si was implanted at four energies between 1 MeV and 1.9 MeV to obtain an excess atomic concentration varying between 25% and 30%. The pieces were sandwiched between dielectric mirrors consisting of multilayer interference filters. Over a wavelength range of about 200 nm wide, one filter reflects nearly 100%, while the other one shows an average reflection of 90%. We measured and compared the PL spectra of three samples: the first one with no mirrors, the second one with filters reflecting around 765 nm (between 700 nm and 830 nm), and the third one with filters acting around 875 nm (between 810 nm and 940 nm). When exciting the samples with a pulsed laser, timeresolved PL measurements exhibited faster decay rates in the wavelength domain where the reflection of the mirrors is maximal compared to samples without mirrors. Also, PL intensity as a function of excitation flux showed a faster increase in the presence of mirrors, although the increase remained sub-linear. From this, we conclude that stimulated emission could be present in the optical cavity, but does not dominate the other emission and loss processes.