La grande majorité des essais cliniques de transfert de gènes in vivo utilise des vecteurs viraux. Si ces derniers sont efficaces, ils présentent des risques immunogènes, toxiques, voire mutagènes avérés. Les vecteurs synthétiques (non viraux), par leur grande modularité et leur faible toxicité représentent une alternative très prometteuse. Le principal frein à leur utilisation est leur manque d’efficacité. L’objectif majeur de ce travail de thèse a été de comprendre le mécanisme de transfert de gènes associé à différents complexes vecteurs synthétiques/ADN plasmidique, ce qui est indispensable pour une conception rationnelle de nouveaux vecteurs. Nous avons étudié, sur cellules en culture, le mécanisme de transfert de gènes associé à deux lipides cationiques ; le BGTC (bis(guanidinium)-tren-cholesterol) et la DOSP (DiOleylamine A-Succinyl-Paromomycine) qui sont connus pour être des vecteurs efficaces in vitro. Nous avons ainsi pu visualiser par microscopie électronique leurs voies d’entrée, leurs remaniements structuraux ainsi que leur échappement endosomal qui représente une étape clé du processus de transfert de gènes. L’identification non ambigüe des lipoplexes tout au long de leur trafic intracellulaire a été rendue possible grâce au marquage de l’ADN par des nanoparticules de silice dotées d’un cœur de maghémite (Fe2O3) dense aux électrons. Cette stratégie de marquage a également été appliquée à l’étude du mécanisme d’action d’un autre vecteur synthétique de type polymère, le copolymère à blocs non ionique P188 ou Lutrol. Contrairement à la plupart des vecteurs synthétiques, celui-ci présente une efficacité de transfection in vivo chez la souris par injection in situ pour le tissu musculaire ou en intra trachéale dans le poumon. En revanche, il est totalement inefficace in vitro. Nous avons montré que le Lutrol permet une augmentation de l’internalisation d’ADN par les cellules mais n’induit pas son échappement endosomal, ce qui expliquerait son absence d’efficacité in vitro. D’autres voies d’entrée sont alors à envisager in vivo pour comprendre son mécanisme d’action. / The vast majority of clinical trials of gene transfer in vivo use viral vectors. Although they are effective, they induce immunogenic, toxic or mutagenic risks. Due to their high modularity and low toxicity, synthetic vectors (non viral), represent a promising alternative despite their lack of effectiveness. The major objective of this work was to understand the mechanism of gene transfer using two prototypic synthetic vectors, in the context of a rational design of new vectors. We studied on cultured cells, the mechanism of action of two cationic lipids; BGTC (bis(guanidinium)-tren-cholesterol) and DOSP (DiOleylamine A-Succinyl-Paromomycine) formulated with plasmid DNA (lipoplexes) which are in vitro efficient vectors. We have been able to visualize by electron microscopy, their intracellular pathways, their structural alterations and their endosomal escape, the latter being a key step in the process of gene transfer. The unambiguous identification of lipoplexes throughout their intracellular trafficking has been made possible thanks to the labelling of DNA by core-shell silica nanoparticles with an electron dense maghemite core (Fe2O3). The labeling strategy has also been applied to study the mechanism of action of a nonionic block copolymer (P188 or Lutrol). Interestingly, these synthetic vectors have an in vivo transfection efficiency in mice lung and muscle tissue while they are totally inefficient in vitro. We have shown that Lutrol induces an increase of DNA internalization into cells and fails to trigger endosomal escape, which would explain the lack of in vitro efficacy. These findings suggest that the in vivo mechanism of action of Lutrol would involve other internalization pathways.

Au sein des Réacteurs à Eau Pressurisée, le flux de neutrons entraîne une modification des propriétés mécaniques des gaines à combustible en alliage de zirconium. Bien que leur comportement macroscopique soit bien connu, les mécanismes microscopiques de la déformation des alliages de zirconium restent à caractériser. Afin de simuler l'irradiation aux neutrons, des irradiations aux particules chargées (ions et électrons) ont été réalisées à 400 et 450°C sur un alliage de zirconium: le Zircaloy-4 RXA. L'analyse expérimentale de la microstructure obtenue après irradiation, effectuée au Microscope Electronique en Transmission (MET), a montré la présence de défauts cristallins: les boucles de dislocation de vecteur de Burgers <a>. Leur évolution au cours de l'irradiation (taille et densité), ainsi que leurs caractéristiques (nature et plan d'habitat) ont été déterminées et discutées sur la base de la diffusion des défauts ponctuels. Les résultats obtenus suggèrent une diffusion des auto-interstitiels très faiblement anisotrope. Des expériences de traction in-situ ont été réalisées au MET, après irradiation aux ions, afin d'activer le glissement des dislocations et d'observer leurs interactions avec ces boucles <a>. Certains cas d'interactions observés expérimentalement ont été modélisés par Dynamique des Dislocations pour une meilleure compréhension des mécanismes. L'effet simultané de la contrainte et de l'irradiation sur les mécanismes de déformation a ensuite été étudié. Des irradiations in-situ aux électrons et aux ions ont été effectuées, sans et avec application d'une contrainte. Des mécanismes de déformation impliquant la montée des dislocations ont ainsi été mis en évidence. Grâce à l'ensemble de cette étude, des modèles basés sur les mécanismes identifiés pourront être, à terme, proposés afin de prédire le comportement des alliages de zirconium en réacteur. / In Pressurized Water Reactors, the neutron flux leads to a change in the mechanical properties of the fuel cladding tubes made of zirconium alloys. Although their macroscopic behavior is well known, the microscopic deformation mechanisms of zirconium alloys still need to be characterized. In order to simulate the neutron irradiation, charged particles irradiations (ion and electron) were carried out at 400°C and 450°C on a zirconium alloy: RXA Zircaloy-4. The experimental analysis of the irradiated microstructure, performed by using a Transmission Electron Microscope (TEM), have shown some crystalline defects: dislocation loops with a <a> Burgers vector. Their evolution (size and density) and their characteristics (nature and habit plane) have been determined and discussed based on the point defects diffusion. The results suggest a weak anisotropy in the self-interstitial diffusion. In-situ tensile tests were performed using a TEM, after ion irradiation, in order to activate the dislocation glide and to observe their interaction with the <a> loops. Some of the experimental cases of interaction have been simulate using Dislocation Dynamics for a better understanding of the mechanisms. The simultaneous effect of the stress and of the irradiation on the deformation mechanisms have been then studied. In-situ electron and ion irradiations were conducted, with and without an applied stress. Deformation mechanisms involving dislocation climb have thus been demonstrated. Through this study, models based on the identified mechanisms may be suggested, in order to predict the behavior of zirconium alloys in the reactor.

De nombreux alliages de structure doivent leurs propriétés mécaniques à la présence de précipités inter ou intragranulaires. Ainsi les superalliages à base nickel, de matrice austénique γ, sont souvent renforcés par des précipités de phases intermétalliques ordonnées. Au sein de l’alliage Inconel 718, outre la phase γ’ de structure L12 (cubique simple), on trouve des précipités de Ni3Nb sous la forme métastable γ" (D022 - tétragonal centré) ou sous la forme stable δ (D0a - orthorhombique). Le rôle des précipités γ’, γ" et δ sur les propriétés macroscopiques de l'alliage est connu et largement utilisé en contexte industriel. Cependant les mécanismes de précipitation et de transformation de ces précipités ne sont toujours pas complètement élucidés, ce qui a motivé ce travail. La microstructure de l’alliage a été caractérisée par microscopie optique (MO) et électronique (à balayage et en transmission ; MEB et MET) dans l’état de livraison et après des traitements thermiques isothermes et anisothermes. Les essais d’analyse thermique différentielle (ATD) nous ont permis de préciser les domaines de température de précipitation et de dissolution des différentes phases présentes (γ’, γ" et δ). Différents états de précipitation ont été obtenus à l’aide de traitements thermiques isothermes basés sur les diagrammes temps-températuretransformation (T.T.T.) disponibles dans la littérature. Les observations en MET « à haute résolution » des précipités des phases δ et γ’’ ont permis de caractériser certains des défauts structuraux présents dans ces précipités. Nous montrons ainsi que les défauts d’empilement au sein de la phase γ’’ peuvent servir de germes pour la précipitation de . Alors que la structure des interfaces δ/γ ainsi que les défauts d’orientation au sein des lamelles de δ suggèrent que la croissance de la phase δ a lieu directement à partir de la matrice . / Many structural alloys are strengthened by the presence of precipitates in the grains or at grain boundaries. Nickel based superalloys often present an austenitic γ matrix in which ordered intermetallic phases precipitate. In the alloy Inconel 718, one can find γ’ L12 cubic ordered precipitates together with the compound Ni3Nb in its metastable form γ" (D022 - tetragonal) or the stable phase δ (D0a - orthorhombic). The incidence of those precipitates on macroscopic properties of the alloy 718 is well known and widely used in industrial applications. However the mechanisms responsible for the precipitation and transformation of these phases are not fully understood, which motivated the present study. The alloy microstructure has been observed by optical microscopy (OM) and electron microscopy (scanning and transmission, SEM and TEM) in the as received state as well as after heat treatment (isothermal and anisothermal). Differential thermal analysis (DTA) was used to determine the precipitation and dissolution temperatures of the phases γ', γ" and δ. Various precipitation microstructures were obtained by heat treatments based on available TTT diagrams. Some of the structural defects present in γ" and δ precipitates have been characterised by lattice imaging TEM observations. It is shown that stacking faults in γ’’ phase can act as a seed for the germination of . The structure of the δ/γ interface and the orientation defects in δ lamellae suggest that the growth of δ phase occurs directly from the matrix (and not by transformation of the γ’’ phase).

L'infection par le virus de l'hépatite C (HCV) reste aujourd'hui une cause majeure d'hépatite chronique, de cirrhose du foie et de carcinome hépatocellulaire. L'attachement cellulaire et l'entrée de HCV sont médiés par les protéines d'enveloppe E1 et E2. De nouveaux récepteurs ont été récemment identifiés mais l'entrée du virus dans les hépatocytes reste énigmatique et n'a jamais été visualisée. Nous avons tout d'abord caractérisé le modèle des pseudo-particules HCV (HCVpp) encryomicroscopie électronique en transmission (cryo-MET). Ce sont des particules sphériques de 100 nm de diamètre portant à leur surface E1 et E2. Nous avons ensuite visualisé l'entrée des HCVpp dans les hépatocytes en MET conventionnelle en utilisant des lignées d'hépatome et des hépatocytes primaires humains(PHH). Ces derniers maintiennent leur polarité en culture comme en témoigne la persistance de canalicules biliaires, tels que dans les hépatocytes natifs. Après synchronisation à 4°C avec les cellules, les HCVpp sont retrouvées liées aux prolongements cellulaires via des 'piliers', et sont ensuite internalisées à 37°C par endocytose dépendante de la clathrine. Ces 'piliers', actuellement en cours d'identification par immunomarquages, sont internalisés avec les HCVpp dans les hépatocytes au sein de vésicules de clathrine ; ce suivi est effectué par des approches de congélation haute pression et de tomographie électronique. Enfin, les évènements d'endocytose des HCVpp dans les PHH se sont avérés rares, avec une cinétique ralentie comparée aux lignées cellulaires. Ces études en MET soulignent l'importance d'utiliser un modèle cellulaire physiologique polarisé pour l'étude du mécanisme d'entrée de HCV. / Hepatitis C virus (HCV) infection is a major cause of chronic hepatitis, liver cirrhosis and hepatocellular carcinoma. Receptor recognition, cell binding and membrane fusion rely on HCV envelope proteins E1 and E2. New receptors were recently discovered; however HCV entry into hepatocytes remains largely unknown and has not yet been visualized. At first, we characterized HCV pseudoparticles (HCVpp) by cryo-transmission electron microscopy (cryo-TEM). They appeared as regular spherical structures of ca. 100-nm, with E1 and E2 at their surface. By conventional TEM, we then visualized HCVpp entry into hepatocytes, using hepatoma cells and primary human hepatocytes (PHH) as a more physiological cell model.PHH maintain their polarity in culture as attested by TEM observation of persistent bile canaliculi. At 4°C, viral particles were primarily found attached to microvilli at the cell surface via molecular bridges and, after warming to 37°C, they were internalized by endocytosis in clathrin-coated pits and vesicles. Using freeze substitution and electron tomographyapproaches, these bridges were found intimately surrounding HCVpp inside the clathrincoated vesicles, suggesting a concomitant internalization. The nature of these bridges is currently under investigation by immunogoldlabeling approaches. Finally, we reproducibly observed less HCVpp internalization events in PHH compared to hepatoma cells, and the kinetics of these events seemed delayed, probably due to PHH polarity. To conclude, ourTEM approach proved powerful to visualize HCV entry, and highlights the importance of studying a physiological cell model to understand HCV entry mechanism.

Ce travail présente les résultats d'un modèle théorique de précipitation de particules Al$_2$Cu dans un alliage d'aluminium de fonderie de type 319 traité thermiquement T7, prenant en compte les équations de la théorie de la coalescence. L'utilisation d'une distribution de taille de particules expérimentale discrétisée comme point de départ du modèle rend possible l'utilisation d'une équation de flux afin de modéliser l'évolution du rayon moyen des particules dans un élément de volume représentatif de l'alliage. L'utilisation d'un schéma numérique implicite permet de ramener la résolution du problème physique à l'inversion d'une matrice tridiagonale. Ainsi, l'évolution du rayon critique de coalescence, du nombre total et de la fraction volumique de précipités sont obtenus pour plusieurs vieillissements. Les résultats du modèle a été confrontés aux résultats des mesures expérimentales qui ont été réalisées à l'aide d'observations en microscopie électronique à transmission et qui ont permis une mesure de la taille des précipités. Ces derniers ont été assimilés à des sphères de volume équivalent aux plaquettes réelles et ont été analysés numériquement. Les résultats fournis par le modèle théorique sont en bon accord avec les mesures expérimentales et ont permis le couplage du modèle de coalescence avec un modèle micromécanique fondé sur la théorie des dislocations et calibré à l'aide d'essais de traction en température. Il permet de déterminer la limite d'élasticité de l'alliage pour un vieillissement jusqu'à 1000h compris entre 23°C et 300°C. La limite d'élasticité est alors assimilée à une somme de trois contraintes~: une contrainte liée à la friction de réseau (contrainte de Peierls), une contrainte liée au contournement des précipités par les dislocations (contrainte d'Orowan) et une contrainte liée à la présence de solution solide. Enfin, des essais de fatigue oligocyclique à différentes températures ont permis de déterminer les variables internes de la loi de comportement macroscopique. Il s'agit d'une loi élasto-viscoplastique de type Lemaitre et Chaboche, à laquelle la limite d'élasticité calculée par le modèle micromécanique est couplée. Ainsi, le comportement physique macroscopique de l'alliage est fonction de la coalescence des précipités. Des calculs 1D ou 3D, par éléments finis, permettent alors de déterminer le comportement général d'une culasse soumise à de la fatigue thermomécanique / This work highlights the results of a theoretical Al$_2$Cu particles coarsening model in a T7 thermal treated 319 aluminum alloy. As an input of the model, the experimental and discretised size distribution of the precipitates, in a 1$mu$m$^3$ representative volume element of the alloy, is used and coupled to a flux equation. The use of a numerical implicit scheme allows us to solve the problem by the inversion of a tridiagonal matrix. Thus, the evolution of the critical radius of coarsening, of the total number and of the volumical fraction of particles are modeled in a range of temperature going from 23°C to 300°C up to 1000h ageing time. Results were then compared to transmission electron microscope observations and are in good agreement with experimental measurements. Hence, the model was then coupled to a micro-mechanical model which is based on the theory of dislocations. It determines the real yield stress of the alloy generated by the interaction of the dislocations with the lattice (Peierls stress), with the precipitates (Orowan stress) and with the atoms in solid solution. Both models were then combined into a mechanical macro-scale model in order to represent the LCF behavior of the material. An elasto-viscoplastic law has been used and all the internal variables were experimentally determined using LCF stress/strain loops for the mechanical steady state. The simulation results are in good agreement with the experiments. Finally, 1D and 3D finite element computations could be run, taking into account the evolution of the microstructure during ageing and its impact on the evolution of the mechanical properties, to determine the head cylinder behavior under thermomechanical fatigue

L'optimisation du couplage lumière-matière requiert la connaissance de l'orientation du dipôle émetteur associé à une source de photons, ainsi que de la distribution de champ électrique du mode excité. Afin de maximiser le couplage entre des émetteurs fluorescents et des nanostructures, nous avons établi une méthode qui permet de déterminer l'orientation d'un dipôle d'émission. Les calculs en champ électrique, associés à une analyse en polarisation, constituent une modélisation complète, pouvant être généralisée à diverses situations expérimentales. Nous appliquons ensuite la méthode proposée à des nanocristaux colloïdaux de CdSe/CdS et CdSe/ZnS sphériques, ainsi qu'à des nanobâtonnets de CdSe/CdS. Nous avons déterminé, par une analyse en polarisation, l'orientation complète d'un dipôle émetteur individuel. Nous avons ensuite étudié le couplage de la lumière à des plasmons grâce à des réseaux périodiques métalliques. Des mesures de réflectivité spéculaire ont mis en évidence un couplage efficace de la lumière incidente à des plasmons de surface sur une large gamme de longueurs d'onde. Des mesures de microscopie électronique par photoémission (PEEM), basées sur la collection d'électrons photoémis à la surface du métal, ont permis d'étudier le couplage de la lumière aux modes plasmons de surface, avec une haute résolution spatiale (25 nm). L'excitation de l'échantillon par un laser, dont on varie la longueur d'onde et la polarisation, fournit une cartographie de la distribution du champ à la surface. Les échantillons étudiés ont mis en évidence différentes signatures de couplage du faisceau incident aux modes plasmoniques (franges d'interférences, points chauds). / The emission features of a single emitter embedded in a nanostructure are closely related to the local environment parameters, as well as to the orientation of the dipole itself. In order to maximize the coupling of fluorescent emitters to nanostructures, we established a model to determine the 3D-orientation of an emitting dipole. I developed an analytic description of a method which allows a measurement of a single dipole orientation to be performed, in various experimental configurations. I then applied this method to colloidal semiconductor nanocrystals (spherical CdSe/CdS and CdSe/ZnS nanocrystals and CdSe/CdS dot-in-rods). By using a polarization analysis, I determined the 3D-orientation of a single emitting dipole. This study led us to the particular conclusion that the emitting dipole associated to a dot-in-rod is not aligned with the elongated axis of the dot-in-rod. In a second part, I studied the coupling between light to surface plasmons modes using periodic metallic gratings. Specular reflectivity measurements highlighted an efficient coupling between the incident visible light and surface plasmons polaritons for a large range of wavelengths. Photoemission electron microscopy (PEEM) measurements, based on the collection of photo-emitted electrons on the surface of the sample, allowed the coupling of light to plasmonic modes to be investigated with a high spatial resolution (25 nm). The sample is excited by a laser tunable in polarization and wavelength, providing a map of the electric field on the surface. The samples showed two different signatures of a coupling to plasmonic modes (interference fringes and hot spots).

Aujourd'hui, la cristallographie de macromolécules produit couramment des modèles moléculaires à résolution atomique. Cependant, cette technique est particulièrement difficile à mettre en œuvre, dans le cas de complexes de taille importante. La microscopie électronique permet, elle, de visualiser des particules de grande taille, dans des conditions proches de celles in vivo. Cependant, la résolution des reconstructions tridimensionnelles obtenues exclut, en général, leur interprétation directe en termes de structures moléculaires, étape nécessaire à la compréhension des problèmes biologiques. Il est donc naturel d'essayer de combiner les informations fournies par ces deux techniques pour caractériser la structure des assemblages macromoléculaires. L'idée est de positionner les modèles moléculaires déterminés par cristallographie à l'intérieur de reconstructions 3D issues de la microscopie électronique, et de comparer la densité électronique associée à la reconstruction 3D avec une densité électronique calculée à partir des modèles. Le problème numérique réside dans la détermination et l'optimisation des variables qui spécifient les positions des modèles, considérés comme des corps rigides, à l'intérieur de l'assemblage. Cette idée simple a donné lieu au développement d'une méthode appelée recalage. Ce travail de thèse a eu pour but de fournir aux biologistes un outil, basé sur la méthode du recalage, qui leurs permette de construire des modèles pseudo-moléculaires associés aux assemblages produits par microscopie électronique. Le logiciel issu de ce travail, nommé VEDA est un environnement graphique convivial, intégrant la possibilité de recalage flexible, et un moteur de calcul performant (calcul rapide, traitement de symétries complexes, utilisation de grands volumes, ...). Testé sur des dizaines de cas réels, VEDA est aujourd'hui pleinement fonctionnel et est utilisé par un nombre croissant de chercheurs, en France et à l'étranger qui lui reconnaissent tous facilité d'utilisation, stabilité, rapidité et qualité des résultats. / Today, macromolecular crystallography commonly produces molecular models at atomic resolution. However, this technique is particularly difficult to implement in the cases of large complexes. Electron microscopy allows for the visualization of large particles under conditions similar to those in vivo. However, the resolution of three-dimensional reconstructions obtained by electron microscopy does not allow, in general, the direct interpretation of molecular structures, a necessary step in understanding biological problems. Therefore, it is natural to try to combine information provided by these two techniques to characterize the structure of macromolecular assemblies. The idea is to place the molecular models determined by crystallography inside electron microscopy 3D reconstructions, and compare the electron density associated to the 3D reconstruction with an electron density calculated from the models. The numerical problem is the determination and the optimization of the variables that specify the positions of the models, considered as rigid body, inside the assembly. This simple idea has led to the development of a method called fitting. This thesis aims to provide biologists with a tool, based on the method of fitting, that allows them to build pseudo-molecular models associated to the assemblies produced by electron microscopy. The software resulting from this work, named VEDA, has a user-friendly graphical environment, includes the possibility of flexible fitting, and implements a powerful calculation core (fast computation, treatment of complex symmetry, use of large volumes, etc.). Tested on dozens of real cases with experimental data sets, VEDA is now fully functional and is used by a growing number of researchers in France and abroad. All of the users have recognized ease of use, stability, speed, and quality of results of VEDA. STAR

Les fontes de fer sont des alliages eutectiques de fonderie dont la structure consiste en des précipités de graphite dans une matrice riche en fer. Les propriétés mécaniques de ces alliages peuvent être grandement modifiées en agissant sur la matrice et sur la forme des précipités de graphite. Industriellement, les formes de graphite les plus courantes sont lamellaire et sphéroïdal, et l'on passe de l'une à l'autre par un traitement de sphéroïdisation (ajout de 0,02-0,05% massique de cérium ou de magnésium). D'autres morphologies peuvent apparaître en fonction des conditions de refroidissement et de la composition chimique de la fonte liquide. De fait, de très nombreux éléments d'alliage ou à l'état de traces peuvent diminuer l'efficacité du traitement de sphéroïdisation et modifier la forme du graphite. L'objectif de cette étude a été double, d'une part caractériser la structure fine de différentes formes de graphite, d'autre part réaliser des expériences de laboratoire destinées à étudier l'effet de quelques éléments, O, Ce et Sb, sur la croissance du graphite primaire. Dans cette étude, différents types de graphite (sphéroïdal, lamellaire et morcelé) issus de fontes commerciales ont été étudiés par microscopie optique, microscopies électroniques à balayage et en transmission, et spectrométrie de masse des ions secondaires. Leur caractérisation a permis de mettre en évidence certaines similitudes à l'échelle nanométrique malgré les différences de morphologies à l'échelle micrométrique. Des expériences consistant à fondre du fer pur dans des creusets de graphite, avec ou sans ajout délibéré d’antimoine ou de cérium, ont été réalisées. Les échantillons ont été élaborés par chauffage soit sous air soit sous vide primaire, puis refroidis lentement et maintenus au dessus de la température eutectique afin de faire croître de gros précipités de graphite primaire, et enfin rapidement pour figer en une structure fine le liquide résiduel. Les différentes formes de graphite obtenues lors de ces expériences ont fait l'objet des mêmes analyses métallographiques que les fontes industrielles. L’antimoine a favorisé la formation de lamelles de graphite incurvées. Les courbures de ces lamelles ont lieu par des changements dans leur direction de croissance. Le cérium a produit du graphite sous forme de plaquettes courtes et épaisses dans les échantillons élaborés sous air et du graphite sphéroïdal ou explosé dans les échantillons élaborés sous vide. Ainsi, l’un des rôles de cet élément est de désoxyder la fonte, ce qui a été confirmé par l’observation de différents oxydes de cérium dans les échantillons. L’observation de morphologies de graphite particulières dans ces échantillons suggère que le rôle du cérium ne se limite pas à la désoxydation de la fonte et des mécanismes d’action de ces éléments ont été discutés. Les caractérisations microstructurales, et en particulier la microscopie électronique en transmission, montrent que le graphite peut s’adapter à différentes conditions de croissance et adopter diverses morphologies dans les fontes. Les résultats de ces travaux ont permis une meilleure compréhension de l’effet des éléments d’addition sur la croissance du graphite et un modèle de croissance permettant de décrire les observations a été proposé. / Cast irons are eutectic foundry alloys with a structure consisting of graphite precipitates within an iron-rich matrix. The mechanical properties of these alloys can be modified by changing the nature of the matrix and the shape of the graphite precipitates. The most usual graphite shapes are lamellar and spheroidal, this modification being achieved through a spheroidisation treatment (adding 0.02-0.05 wt% of cerium or magnesium). Other morphologies can occur depending on the chemical composition of the melt and its cooling conditions. Numerous alloying elements present as traces can reduce the effectiveness of the spheroidisation treatment and modify the shape of graphite. The objectives of this study were to characterize the structure of different graphite types at a fine scale and to carry out laboratory experiments to study the effect of certain elements (oxygen, cerium and antimony) on primary graphite growth. In the present work, various types of graphite found in commercial cast irons were studied using optical microscopy, secondary ion mass spectrometry, scanning and transmission electron microscopy. Characterization of spheroidal, lamellar and chunky graphite was performed in order to reveal their structural features. Even though these precipitates seem very different at lower magnification the results of this investigation emphasize on similarities found between them. Experiments consisting in melting pure iron in graphite crucibles, with or without antimony or cerium additions were carried out. The samples were heated in air or primary vacuum, then slowly cooled and held above the eutectic temperature so as to produce large primary graphite crystals, and finally quenched to produce a fine structure from the remaining liquid. The different graphite morphologies obtained in these experiments underwent the same metallographic analyses as the commercial irons. Antimony favoured the development of curved graphite flakes by promoting frequent changes in the flakes’ growth direction. Cerium produced thick graphite platelets in the samples prepared in air and exploded graphite in the samples prepared in vacuum. One of the main roles of this element is thus to deoxidize the melt, which was confirmed by the presence of several cerium oxides in the samples. Peculiar graphite morphologies were observed in these samples, suggesting that the role of cerium is not limited to deoxidizing the iron and the mechanisms by which this element affects graphite growth were discussed. The microstructural characterizations and mainly transmission electron microscopy show that graphite can adapt to different growth conditions and adopt diverse morpholgies in cast irons. The results of the present work lead to a better understanding of the effect of elements on graphite growth and a model was proposed to describe the experimental observations.

Dans cette thèse, différentes techniques de microscopie électronique à transmission et à balayage (STEM : scanning transmission electron microscopy) ont été améliorées et appliquées à plusieurs structures essentiellement à base de semiconducteurs. La création de nouveaux matériaux et dispositifs a été à l'origine du développement des civilisations et des méthodes de caractérisation expérimentales sont nécessaires pour étudier les nouvelles structures afin de les comprendre et de les améliorer. Avec le développement des nanotechnologies, la microscopie électronique est devenu un outil indispensable du fait de sa grande résolution spatiale et de la pléthore d'information qu'elle permet d'obtenir.Dans la première partie de cette thèse, les nombreux développements réalisés sont présentés. Plusieurs sous-techniques du STEM ont été améliorés : création de moirés obtenus par balayage (SMF : scanning moiré fringes), nano-diffraction électronique en mode précession (NPED : nano-beam precession diffraction) et haute résolution en STEM (HR-STEM). Ces développements permettent d'obtenir des cartographies quantitatives sur les déformations et les champs électriques et indirectement des informations chimiques.Dans la deuxième partie, les techniques développés sont utilisés pour étudier différentes structures et les résultats sont comparés à ceux d'autres techniques comme l'holographie et le contraste de phase différentielle (DPC : differentail phase contrast). Dans une structure photovoltaïque à base de matériaux II-VI, une accumulation d'un matériau II a été détectée aux interfaces grâce aux mesures des déformations. Des champs de déformations très faibles capitaux pour le fonctionnement des isolants topologiques à base de HgTe ont été mesurés. Des cartographies de déformation très précises ont été obtenues dans des transistors SiGe. Dans des couches AlN/GaN des cartographies de déformation et de champs électriques ont pu être réalisés simultanément révélant l'importance des dislocations. Des domaines d'inversion coeur-coquille ont été mis en évidence pour la première fois. Ils ont été observés dans de nombreux fils de GaN élaborés par épitaxie par jet moléculaires. Les positions des atomes dans un domaine d'inversion ont pu être mesurés à quelques picomètres près et comparés à des calculs ab-initio. / In this work, different scanning transmission electron microscopy (STEM) techniques have been developed and applied to several material systems. The creation of novel materials and devices has been a backbone of society’s development and characterization methods are needed to investigate these materials in order to understand and improve them. With the advent of nanotechnology, electron microscopy has become an invaluable tool, as it is able to visualize the atomic structure of thin samples and produces a plethora of quantifiable signals.In a first part, the numerous developments realized in this thesis are presented. Several STEM based techniques have been improved: scanning moiré fringes (SMF), nano-beam precession diffraction (NPED) and high-resolution STEM (HR-STEM). These developments allow for more accurate strain measurements, the quantitative mapping of electric fields and to realize accurate chemical profiles.In a second part, the developed methods are applied to different material systems and compared to more classical techniques, like holography and differential phase contrast (DPC). In a II/VI solar cell structure the interface chemistry is determined from strain with atomic resolution. Very faint strain gradients that are vital for the topological insulator properties of HgTe are measured. Accurate two-dimensional strain maps are obtained of a SiGe transistor. Simultaneous strain and electric field maps of m-plane AlN/GaN reveal the influence of dislocations in the material. Core-shell type inversion domains are described for the first time in GaN nanowires. They were found in many samples grown by molecular beam epitaxy. Thanks to quantitative analysis the exact atomic structure of inversion domains in GaN is described and compared to simulations.

La Microscopie Electronique à Balayage Environnementale permet l'observation de liquides dans certaines conditions de pression et température. En travaillant en transmission, i.e. en mode STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy), des nano-objets présents au sein du liquide peuvent même être analysés (mode « Wet-STEM»). Dans les solutions concentrées, l'arrangement du soluté peut changer être un paramètre microstructural important, qu’il est alors nécessaire de caractériser. Dans ce contexte, le but de ce travail est de développer la tomographie électronique sur des suspensions liquides en utilisant le mode STEM en ESEM, de manière à obtenir la structure 3D de nano-objets dispersés dans un liquide. Dans une première partie, le contraste entre des nanoparticules et le film d’eau est étudié en combinant des images expérimentales Wet-STEM (en 2D) et des simulations Monte Carlo. Deux types de nano-matériaux sont choisis : des nanoparticules d’or sphériques, de diamètre environ 40 nm, dispersées dans l’eau, ainsi qu’une suspension aqueuse de latex SBA-PMMA, contenant 3% de PMMA utilisé comme tensioactif stérique. La comparaison entre les résultats simulés et expérimentaux permet d’estimer comment le contraste entre l’eau et les nanomatériaux est affecté par l’épaisseur du film d’eau. Dans une deuxième partie, des expériences de tomographie sont réalisées à sec sur des films de polyuréthane contenant des nanotubes de carbone multiparois greffés ou non, en utilisant une platine développée précédemment au laboratoire. Le volume a pu être reconstruit correctement. Cependant, en effectuant une acquisition 3D sur des suspensions de latex SBA-PMMA, le contrôle de la température de l’échantillon s’est révélé insuffisant. Nous proposons une amélioration à la fois de la platine et des conditions d’observations permettant de mieux contrôler l’évaporation et la condensation de l’eau sur des échantillons liquides. La troisième partie est dévolue à une analyse approfondie d’une suspension de latex SBA-PMMA, de différentes concentrations (d’un état dilué à très concentré), les acquisitions étant effectuées avec les conditions optimisées. L’arrangement des particules de latex est comparé à des modèles issus de la littérature, et avec des résultats expérimentaux obtenus par cryo-SEM sur suspensions congelées. Nous présentons ensuite une étude du même latex en présence de tensioactif. La couche de tensioactif peut être mise en évidence dans les volumes reconstruits et segmentés. En conclusion, nous résumons les potentialités de la tomographie wet-STEM pour la caractérisation de nanomatériaux solides et liquides. Des perspectives sont proposées pour continuer dans l’exploration de ces potentialités et des limites de la technique. / ESEM (Environmental Scanning Electron Microscopy) allows the observation of liquids under specific conditions of pressure and temperature. When working in the transmission mode, i.e. in STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy), nano-objects can even be analyzed inside the liquid (“wet-STEM” mode). Moreover, in situ evaporation of water can be performed to study the materials evolution from the wet to the dry state. This work aims at developing electron tomography on liquid suspensions using STEM-in-ESEM, to obtain the 3D structure of nano-objects dispersed in a liquid. In a first part, Monte Carlo simulations and 2D wet-STEM experimental images are combined to study the contrast. Two kinds of liquid nano-materials are chosen as the sample: spherical gold particles (diameter around 40 nm) in suspension in water; latex SBA-PMMA suspension, a copolymer derived from styrene and metacrylic acid esters in aqueous solution, 3% PMMA shell included as steric surfactant. The comparison between simulated and experimental results helps to determine how water can affect the contrast of hydrated nano-materials. Tomography experiments are then performed on dry PU-carbon nanotubes nanocomposites using a previously developed home-made tomography device, and the volume is well reconstructed. When performing tomography on latex suspension, limitations are found on the temperature control of samples. We propose an optimization of the device with new observations conditions to better control water evaporation and condensation of liquid samples. Afterwards, a full 3D analysis on SBA-PMMA latex from dilute suspension to very concentrated one is performed, and a further study is presented in presence of a surfactant. The encouraging reconstruction results are used to model the particles arrangement. This shows the potentialities of wet-STEM tomography for the characterization of both solid and liquid nano-materials.