La membrane cellulaire est la barrière qui sépare l'intérieur des cellules de l'environnement extérieur. Elle se compose de lipides et de protéines. Les gènes codant pour les protéines membranaires représentent environ 30% des génomes. Les protéines membranaires sont synthétisées dans le cytosol par les ribosomes, mais suivent des voies spécifiques pour s'intégrer dans la membrane cellulaire. Les ribosomes en cours de traduction de protéines membranaires sont reconnus dans le cytosol et adressés à la membrane. Par la suite, les chaînes naissantes de protéines membranaires sont insérées dans la bicouche lipidique puis repliées de façons appropriées, ce mécanisme s'appelle la translocation. Le processus d'adressage est médiée par la particule de reconnaissance du signal (SRP) et son récepteur, tandis que la translocation est effectuée par un certain nombre de complexes de protéines membranaires.Cette thèse décrit deux des complexes impliqués dans cet adressage et translocation co-traductionnelle chez Escherichia coli : Le complexe ribosome-SRP-FtsY pour l'adressage en conformation «fermé» et le complexe dans lequel le ribosome est lié à l'holo-translocon (HTL) qui se compose de sept protéines membranaires. J'ai utilisé principalement la cryo-microscopie électronique pour caractériser ces complexes. La cryo-EM permet de déterminer la structure des échantillons biologiques à une résolution supérieure au nanomètre dans leur environnement natif, sans avoir à le cristalliser. Dans ce travail, j'ai bénéficié des améliorations récentes dans l'équipementet le traitement d'image.A partir d'un ensemble de données de cryo-EM obtenu par les membres du groupe, j‘ai déterminé la structure du complexe ribosome-SRP-FtsY en conformation «fermé» avec une résolution de 5.7 Å. Différentes stratégies de tri des calculsont été appliquées pour identifier la partie la plus homogène de l'ensemble des données. La structure montre un domaine bien résolu SRP ARN et SRP M avec une séquence signal liée. L'interaction entre les SRP et le ribosome pourrait être modélisée avec une grande fidélité. Cette structure révèle également que les GTPases SRP-ftsY sont détachées de la tétra-boucle de l'ARN et sont flexibles, libérant alors le site de sortie du ribosomepermettant la liaison du translocons.Dans le second projet, différentes approches ont été poursuivis pour résoudre la structure du complexe ribosome-HTL à haute résolution. Une structure initiale à 22 Å a été obtenue en mélangeant HTL solubilisés en détergent avec des ribosomes, démontrantla possibilité de préserver le complexe dans les conditions utilisées pour la préparation des grilles. J'ai ensuite exploré l'utilisation de nanodiscs et un nouveau détergent appelé LMNG pour stabiliser HTL dans des tampons sans détergent. Un deuxième ensemble de données a ensuite été recueilli à partir d'échantillon obtenu par gradient de fixation, la structure a été résolue à 17 Å. La préparation des échantillons a été optimisée utilisant entre autre les amphipoles. On a montré que deux types d'amphipole-HTL peuvent se lier au ribosome, et des structures de plus grande résolution devrait être obtenu à partir de ces échantillons. / The cell membrane is the barrier that separates the interior of cells from the outside environment. It consists of lipids and proteins. Genes encoding membrane proteins make up about 30% of the genome. Membrane proteins are synthesized in the cytosol by ribosomes, but employ special pathways to integrate into the cell membrane. Ribosomes translating membrane proteins are recognized by special factors in the cytosol and targeted to the membrane. Subsequently, nascent chains of the membrane proteins are inserted into the lipid bilayer and are folded into their proper structures, a process termed translocation. The targeting process is mediated by the signal recognition particle (SRP) and its receptor, while the translocation is performed by a number of membrane protein complexes.This thesis describes two of the complexes involved in co-translational targeting and translocation in Escherichia coli: The ribosome-SRP-FtsY targeting complex in the “closed” conformation and the complex of a ribosome with the holo-translocon (HTL) consisting of seven membrane proteins. I mainly used electron cryo-microscopy to characterize these complexes. Cryo-EM allows structural determination of biological samples at sub-nanometer resolution in their native environment, without the need to crystallize the specimen. In this work, I took advantage of the recent advances in both the hardware and the image processing.Starting from a cryo-EM dataset obtained by group members, I have determined the structure of ribosome-SRP-FtsY complex in the “closed” conformation at 5.7 Å resolution. Different computational sorting strategies were applied to identify the most homogeneous sub-pool of the dataset. The structure shows a well-resolved SRP RNA and SRP M domain with a signal sequence bound. The interaction between SRP and ribosome could be modeled with high confidence. This structure also reveals that the SRP-FtsY GTPases are detached from the RNA tetraloop and are flexible, thus liberating the ribosomal exit site for binding of the translocation machinery.In the second project, different approaches were pursued to solve the structure of the ribosome-HTL complex at high resolution. An initial structure at 22 Å was obtained by mixing detergent-solubilized HTL with the ribosome, demonstrating that it is possible to preserve the complex under the conditions used for specimen preparation. I have then explored the use of nanodiscs and a new detergent called LMNG to stabilize HTL in detergent-free buffers. A second dataset was subsequently collected from a sample prepared by gradient-fixation, and the structure was solved at 17 Å. Sample preparation has been optimized further using amphipols. Two types of amphipol-HTL complexes were shown to bind to the ribosome, and higher resolution structures are expected to be obtained from these samples.

Le domaine des nanofils semi-conducteurs est en pleine expansion depuis ces dix dernières années grâce à leurs applications dans de nombreux domaines tels que l’électronique ou la conversion d’énergie. Dans cette étude on part d’une base de nanofil de germanium (le canal), on dépose des contacts métalliques qui seront chauffés par effet joule. Une différence de potentiel est alors appliquée au contact d’entrée (la source), le courant électrique est récupéré et mesuré par le contact de sortie (le drain). Une réaction à l’état solide permet aux atomes du métal de diffuser dans le nanofil. La propagation d'une phase métal/semi-conducteur est suivie dans un microscope électronique en transmission (MET) dont la résolution permet une observation à l’échelle atomique au niveau de la source, le drain et le canal. Les dispositifs caractérisés au cours de ce stage ont été élaborés à partir de deux types de membranes, l’une plane et l’autre avec des trous. Chacune d’entre elles sont constituées d’une couche de nitrate de silicium Si3N4 à leurs surfaces présentant l’avantage d’être transparents aux électrons et isolants au courant. / Semiconductor nanowires (NWs) are promising candidates for many device applications ranging from electronics and optoelectronics to energy conversion and spintronics. However, typical NW devices are fabricated using electron beam lithography and therefore source, drain and channel length still depend on the spatial resolution of the lithography. In this work we show fabrication of NW devices in a transmission electron microscope (TEM) where we can obtain atomic resolution on the channel length using in-situ propagation of a metallic phase in the semiconducting NW independent of the lithography resolution. We show results on semiconducting NW devices fabricated on two different electron transparent Si3N4 membranes: a planar membrane and a membrane where devices are suspended over holes. First we show the process of making lithographically defined reliable electrical contacts on individual NWs. Second we show first results on in-situ propagation of a metal-semiconductor phase in Ge NWs by joule heating, while measuring the current through the device. Two different devices are studied: one with platinum metal contacts and one with copper contacts. Different phenomena can occur in CuGe NWs during phase propagation.

Dans cette thèse, nous proposons une étude détaillée des mécanismes responsables de la perte de données dans les mémoires à changement de phase enrichies en germanium (Ge-rich PRAMs), à savoir la dérive de la résistance au cours du temps et la recristallisation de la phase amorphe. Nous commençons par une présentation du contexte dans lequel s'inscrit cette étude an donnant un aperçu rapide du marché des mémoires à semiconducteur et une comparaison des mémoires non volatiles émergentes. Les principes de fonctionnement de la technologie PRAM sont introduits, avec ses avantages, ses inconvénients, ainsi que la physique régissant le processus de cristallisation dans les matériaux à changement de phase, avant de décrire les problèmes de fiabilité qui nous intéressent.Une caractérisation électrique complète de dispositifs intégrant des alliages de GST enrichi en germanium est ensuite proposée, en commençant par la caractérisation des matériaux utilisés dans nos cellules, introduisant alors les avantages des alliages enrichis en Ge sur le GST standard. Les performances électriques des dispositifs intégrant ces matériaux sont analysées, avec une étude statistique des caractéristiques SET & RESET, de la fenêtre de programmation, de l'endurance et de la vitesse de cristallisation. Nous nous concentrons ensuite sur le thème principal de cette thèse en analysant la dérive en résistance de l'état SET de nos dispositifs Ge-rich, ainsi que les performances de rétention de l'état RESET.Dans la dernière partie, nous étudions les mécanismes physiques impliqués dans ces phénomènes en fournissant une étude détaillée de la structure des cellules, grâce à l'utilisation de la Microscopie Électronique en Transmission (MET). Les conditions et configurations expérimentales sont décrites, avant de présenter les résultats qui nous ont permis d'aller plus loin dans la compréhension de la dérive en résistance et de la recristallisation de la phase amorphe dans les dispositifs Ge-rich. Une discussion est finalement proposée, reliant les résultats des caractérisations électriques avec ceux des analyses TEM, conduisant à de nouvelles perspectives pour l'optimisation des dispositifs PRAMs. / In this thesis we provide a detailed study of the mechanisms responsible for data loss in Ge-rich Ge2Sb2Te5 Phase-Change Memories, namely resistance drift over time and recrystallization of the amorphous phase. The context of this work is first presented with a rapid overview of the semiconductor memory market and a comparison of emerging non-volatile memories. The working principles of PRAM technology are introduced, together with its advantages, its drawbacks, and the physics governing the crystallization process in phase-change materials, before describing the reliability issues in which we are interested.A full electrical characterization of devices integrating germanium-enriched GST alloys is then proposed, starting with the characterization of the materials used in our PCM cells and introducing the benefits of Ge-rich GST alloys over standard GST. The electrical performances of devices integrating those materials are analyzed, with a statistical study of the SET & RESET characteristics, programming window, endurance and crystallization speed. We then focus on the main topic of this thesis by analyzing the resistance drift of the SET state of our Ge-rich devices, as well as the retention performances of the RESET state.In the last part, we investigate on the physical mechanisms involved in these phenomena by providing a detailed study of the cells' structure, thanks to Transmission Electron Microscopy (TEM). The experimental conditions and setups are described before presenting the results which allowed us to go deeper into the comprehension of the resistance drift and the recrystallization of the amorphous phase in Ge-rich devices. A discussion is finally proposed, linking the results of the electrical characterizations with the TEM analyses, leading to new perspectives for the optimization of PRAM devices.

Dans les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), en conditions hypothétiques accidentelles d'Accident de Perte de Réfrigérant Primaire, les gaines de combustible en alliage de zirconium subissent une oxydation importante à haute température. Pour ralentir ce phénomène, le CEA développe et étudie des gaines innovantes revêtues de chrome. Cependant, l'intégrité du revêtement doit être maintenue en service et notamment sous irradiation aux neutrons. L'objectif principal de la thèse est d'étudier le comportement sous irradiation de ce concept de gainage. On s'intéresse en particulier à la microstructure de l'interface Zr/Cr avant et après irradiation puisque cette dernière régit l'adhérence du dépôt au substrat. Des irradiations aux ions ont été effectuées afin de simuler le dommage causé par les neutrons dans un REP. Une approche multi-échelle est utilisée pour caractériser les échantillons avant et après irradiation. En particulier, la Microscopie Electronique en Transmission (MET) a permis de caractériser finement la microstructure de l'interface Zr/Cr. Un premier type d'interface Zr/Cr est observé et montre la présence de phases nanométriques de types Zr(Fe,Cr)2 C14 et ZrCr2 C15. Après irradiation, la phase C14 serait stabilisée, au détriment de la phase C15, par ségrégation du fer à l'interface. Pour une seconde interface, obtenue dans des conditions de dépôt différentes, seule la phase C15 est observée. Sous irradiation in-situ au MET, une dissolution de cette phase est constatée. Dans tous les cas, la conservation des continuités de plans cristallographiques à travers l'interface avant et après irradiation permet de conclure à une bonne adhérence du revêtement au substrat. / In Light Water Reactors (LWR) under hypothetical accidental conditions such as LOss of Coolant Accident (LOCA), zirconium alloy fuel claddings undergo significant oxidation at high temperatures. To limit this phenomenon, innovative chromium coated nuclear fuel claddings are studied at CEA. However, the integrity under neutron irradiation of such coating for in-service conditions must be preserved..The main objective of this PhD work is to study the behavior under ion irradiation of this new cladding concept. We especially focus on Zr/Cr interface microstructure evolution under irradiation, since the latter controls the adhesion of the coating to the substrate. Ion irradiations were performed to simulate the damage caused by neutrons in LWR. A multi-scale approach is used to characterize the samples before and after irradiation. In particular, Transmission Electron Microscopy (TEM) was used to characterize, at an atomic scale, the microstructure of the Zr/Cr interface. A first type of Zr/Cr interface is observed and shows the presence of nanometric phases of Zr(Fe,Cr)2 C14 and ZrCr2 C15 types. After irradiation, the C14 phase seems to be stabilized over the C15 phase, by segregation of iron at the interface. For a second interface, obtained using different deposition conditions, only C15 phase is observed. Under in-situ TEM irradiation, dissolution of the C15 phase is observed. Whatever the Zr/Cr interface type, preservation of the continuity of crystallographic planes before and after irradiation throughout the interface is demonstrated and thus induces a good adhesion of the coating to the substrate.

De par leurs propriétés physico-chimiques spécifiques, les nanomatériaux attirent de plus en plus la communauté scientifique. Dans ce contexte, il est important d'améliorer les techniques de caractérisation à l'échelle nanométrique. Ce travail de thèse est basé sur le développement de techniques de diffraction électronique pour l'étude de matériaux bi-dimensionnels et tri-dimensionnels.La diffraction électronique en faisceau convergent contient de nombreuses informations sur la structure l'échantillon. Ces informations, portées par les lignes de HOLZ, permettent de déterminer l'épaisseur de l'échantillon, le facteur de structure, la direction d'observation, la tension d'accélération des électrons, ainsi que la longueur de caméra. Des ambiguïtés existent dans la détermination de l'état de contraintes car un cliché expérimental est une projection bi-dimensionnelle d'une information tri-dimensionnelle. Il a été possible au cours de cette thèse de réduire ces ambiguïtés et de déterminer ainsi les composantes diagonales du tenseur de déformation à partir d'une seule direction d'observation. En étudiant l'élargissement des lignes de HOLZ, dû à une déformation non uniforme dans le sens de propagation des électrons, il a été possible de remonter au champ de déplacement suivant l'axe du faisceau d'électrons.La seconde partie de cette thèse s'intéresse aux matériaux bi-dimensionnels comme le Graphène, le Nitrure de Bore (BN) et le disulfure de Molybdène (MoS2). L'interprétation du contraste d'une image de microscopie électronique en transmission haute résolution est discutée, notamment sur l'importance de l'orientation de l'échantillon et des aberrations. Une méthode de mesure de l'orientation d'un échantillon bi-dimensionnel basée sur la projection des tâches de diffraction est présentée. Enfin, trois techniques de mesure d'épaisseur sont comparées en les appliquant à quelques couches atomique de MoS2 et BN. / The small dimensions of nanomaterials give them remarkable properties attracting the scientific community. In order to understand and control these properties, it is essential to characterize them at the nanometer scale. This thesis work is based on the development of electron microscopy diffraction techniques for the study of two and three dimensional materials.Convergent Beam Electron Diffraction patterns contain large amount of information on the sample geometry. This information, carried by HOLZ lines, allows to determine the sample thickness, the structure factor, the direction of observation, the electron acceleration voltage and the camera length. Ambiguities in strain measurement arise from the experimental two-dimensional projection of three-dimensional information. During this thesis, it has been possible to reduce these ambiguities and therefore to measure the diagonal components of the deformation gradient tensor from one direction of observation only. By studying the HOLZ lines broadening, due to a non-uniform strain along the electron beam direction, it has been possible to retrieve the displacement field along the beam direction.The second part of this thesis is focused on the study of two-dimensional materials such as Graphene, Boron Nitride (BN) or Molybdenum disulfide (MoS2). The delicate interpretation of the contrast of high-resolution transmission electron microscopy images and especially the importance of aberrations and sample tilt on this contrast is discussed. A method to quantify two-dimensional sample orientation using diffraction spots projection effect is presented. Finally, three thickness measurement techniques are compared by applying them to few-layered MoS2 et BN.

La RNase P est une endoribonucléase responsable de la maturation de l’extrémité 5’ des ARNt prématures. Holoenzyme très conservée, elle est constituée d’une composante ARN formant le noyau catalytique et d’une composante protéique dont le nombre de sous-unités est variable : une protéine chez les bactéries, 5 chez les archées et d’au moins 9 chez les eucaryotes. Les eucaryotes possèdent également une autre endoribonucléase, la RNase MRP dont la composition est proche de la RNase P tant au niveau ribonucléique que protéique mais avec une spécificité de substrat propre. Dans cette étude, nous proposons une méthode originale et spécifique pour purifier la RNase P et la RNase MRP de S. cerevisiae. Grâce à la microscopie électronique et au traitement d’images, nous avons déterminé la première structure de ces deux holoenzymes à une résolution d’environ 1.5 nm. Ces structures révèlent une architecture modulaire commune où les protéines stabilisent la composante ARN et contribuent à l’édification de cavités et de conduits. Les spécificités structurales sont localisées en des positions stratégiques pour l’identification et la coordination du substrat. / Ribonuclease P (RNase P) is an endoribonuclease that cleaves the 5'-leader sequence of pre-tRNAs. RNase P is conserved between all taxonomic kingdoms and consists of a catalytic RNA subunit and protein components of variable size, from one protein in bacteria to 5 proteins in archae and at least 9 proteins in eukaryotic cells. In addition to RNase P, eukaryotes possess the RNase MRP which has a related RNA core and shares 8 proteins subunits with RNase P but with its own substrate specificity. Here, we propose an original method to purify specifically RNase P and RNase MRP from S. cerevisiae. Using electron microscopy and image processing, we solved the first structure of these two holoenzymes at a resolution of about 1.5 nm. We showed that eukaryotic RNase P and RNase MRP have a modular architecture, where proteins stabilize the RNA fold and contribute to cavities, channels and chambers between the modules.Structural features are located at strategic positions for substrate recognition by shape and coordination of the cleaved-off sequence.

Il existe actuellement une demande croissante pour le développement de méthodes expérimentales rapides et fiables permettant d'estimer la résistance à la fatigue dans le domaine de la fatigue à grands nombres de cycles. En ce sens, la fatigue ultrasonique apparue dans les années cinquante est très intéressante pour les industriels. En effet, la fréquence typique de ces essais est de 20 kHz ce qui permet d'atteindre le domaine des très grandes durées de vie en des temps d'essais raisonnables (109 cycles sont atteints en 14 h). Cependant ces essais posent le problème de l'effet de la fréquence et plus généralement de la validité des résultats obtenus pour estimer la durée de vie de structures chargées à des fréquences très inférieures à 20 kHz. L'objectif de ce travail est d'évaluer l'effet de la fréquence du chargement sur les mécanismes précurseurs de l'initiation de fissures et plus précisément sur les mécanismes de microplasticité à l'échelle du grain. Ce travail de thèse s’intéresse au cas du cuivre pur polycristallin sollicité en traction-compression alternée et symétrique. Pour mettre en évidence un effet de la fréquence, les courbes de Wöhler ont été construites à différentes fréquences. L’étude s’est ensuite focalisée sur les mécanismes de microplasticité précurseurs de l’initiation de fissures et plusieurs critères ont été examinés : les morphologies des bandes de glissement et leurs positions en lien avec la microstructure, les seuils d’apparition des bandes de glissement, le développement de ces bandes avec le nombre de cycles, la répartition de la microplasticité dans les grains, les valeurs d’énergie dissipée au cours d’un cycle. Le glissement dévié et la production-diffusion de lacunes sont deux mécanismes qui interviennent dans la formation des bandes de glissement et des extrusions en surface. Leurs rôles respectifs sur les effets de fréquence observés sont discutés. / Nowadays there is a growing demand for the development of fast and robust fatigue life prediction methods in the very high cycle fatigue domain. In this way, ultrasonic fatigue technique which appeared in 1950 is very interesting for manufacturers. Because the typical frequency of these tests is 20 kHz, this technique is efficient to perform tests up to a very high number of cycles in a reasonable time (109 cycles are reached in 14 h). However, the frequency domain of these fatigue tests facilities raises the issue of the effect of frequency and more generally the validity of the obtained results for estimating fatigue life of structures loaded at frequencies three or four order of magnitude below ultrasonic frequencies. The objective of this work is to evaluate the effect of the loading frequency on the precursors of fatigue damage, namely the microplasticity at the grain scale. This thesis work deals with the case of polycrystalline pure copper loaded in fully reversed tensioncompression. To show the effect of frequency, the Wöhler or S-N curves were constructed at different frequencies. Then, the study focused on the mechanisms of microplasticity preceding crack initiation and several criteria were investigated: the morphologies of the slip bands and their locations in the microstructure, the thresholds of appearance of the slip bands, the evolution of the slip bands amount with the number of cycles, the distribution of the microplasticity in the grains, the dissipated energy during a fatigue cycle. Cross slip and vacancies production and diffusion are two mechanisms which play a part in the formation of slip bands and extrusions in surface. Their respective roles on the effects of frequency observed are discussed

Cette thèse porte sur la synthèse et la caractérisation de nouvelles phases bidimensionnelles par microscopie électronique in-situ, notamment la silice (SiO2), des cages nanométriques de carbone similaire à des molécules C20 et le chalcocite (β-Cu2S). Ces études ont permis de mettre en évidence les conditions préalables de croissance afin que celle-ci soit reproductible. La caractérisation de ces structures a été réalisée par imagerie haute résolution (HRTEM) ainsi que par spectroscopie de perte d’énergie (EELS). La première partie de la thèse est consacrée à l’étude de la nucléation et la croissance in-situ d’une phase cristalline 2D ordonnée et désordonnée sur différents métaux de transition (Co, Ru, Fe) ainsi qu’une phase 1D qui croît le long des marches atomiques sur la surface métallique. La seconde partie est consacrée à la croissance in-situ de cages de carbone d’un diamètre de l’ordre de 0.36 nm en présence d’un catalyseur métallique, tel que Co, Fe et Ru. La dernière partie est consacrée à l’étude de la croissance de la plus fine structure cristalline du β-Cu2S sur la surface du graphène. Toutes ces études ont été appuyées par des simulations d’images de microscopie. / The aim of this thesis is the synthesis and characterization of new two-dimensional phases in an in-situ transmission electron microscopy experiment. These studies concerned the nucleation and growth of three deferent materials: quasi-two-dimensional silica (SiO2), the smallest possible carbon cages with the size of C20, and two-dimensional chalcocite (β-Cu2S). The characterization of these structures has been performed using high resolution imaging (HRTEM) and electron energy-loss spectroscopy (EELS). The first part of this thesis is devoted to the study of the nucleation and growth of an ordered or disordered 2D crystalline phase of silica on different substrates (Co, Ru, Fe) and a 1D silica phase grown at atomic steps of a metal surface. The second part illustrates the in-situ growth of the smallest possible carbon cages with a diameter of about 0.36 nm on catalytically active metal surfaces such as Co, Fe, or Ru. The last part is devoted to the growth of the thinnest stable layer of β-Cu2S on a graphene surface. All these studies were accompanied by image simulations.

Cette thèse présente une étude des impulsions électroniques ultra-brèves en utilisant le nouveau microscope électronique en transmission ultrarapide (UTEM) à Strasbourg. La première partie porte sur le mode d’opération stroboscopique, basé sur l’utilisation d’un train d’impulsions d’électrons de l’ordre de la picoseconde pour l’étude des phénomènes réversibles ultrarapides. L’étude paramétrique effectuée a permis de révéler les dynamiques fondamentales des impulsions électroniques. Des mécanismes inconnus jusqu’alors et décisifs dans les caractéristiques des impulsions ont été dévoilés. Il s’agit des effets de trajectoire, qui limitent la résolution temporelle, et du filtrage chromatique, qui impacte la distribution en énergie et l’intensité du signal. Ces connaissances permettent aujourd’hui un paramétrage affiné de l’UTEM de manière à satisfaire les divers besoins expérimentaux. La deuxième partie concerne l’installation du mode d’opération complémentaire : le mode « singel-shot ». Ce mode fait appel à une impulsion unique d’intensité élevé et d’une durée de l’ordre de la nanoseconde pour l’étude des phénomènes irréversibles. L’UTEM de Strasbourg étant le premier instrument single-shot équipé d’un spectromètre de perte d’énergie des électrons (EELS), l’influence de l’aberration chromatique a pu été étudiée en détail. Elle s’est dévoilée être une limitation majeure pour la résolution en imagerie, nécessitant d’ajuster le bon compromis avec l’aberration sphérique d’une part et l’intensité du signal d’autre part. Enfin, la faisabilité de mener des études en EELS ultrarapide avec une seule impulsion nanoseconde a pu être démontrée, ceci constituant une première mondiale. Ce résultat très prometteur ouvre un tout nouveau domaine d’expériences résolu en temps. / This thesis presents a study of ultrashort electron pulses by using the new ultrafast transmission electron microscope (UTEM) in Strasbourg. The first part focuses on the stroboscopic operation mode which works with trains of picosecond multi-electron pulses in order to study ultrafast, reversible processes. A detailed parametric study was carried out, revealing fundamental principles of electron pulse dynamics. New mechanisms were unveiled which define the pulse characteristics. These are trajectory effects, limiting the temporal resolution, and chromatic filtering, which acts on the energy distribution and signal intensity. Guidelines can be given for optimum operation conditions adapted to different experimental requirements. The second part starts with the setup of the single-shot operation mode, based on intense nanosecond electron pulses for the investigation of irreversible processes. Having the first ns-UTEM equipped with an electron energy loss spectrometer, the influence of chromatic aberration was studied and found to be a major limitation in imaging. It has to be traded off with spherical aberration and signal intensity. For the first time, the feasibility of core-loss EELS with one unique ns-electron pulse is demonstrated. This opens a new field of time-resolved experiments.

Les phénomènes quantiques des nanostructures peuvent être une opportunité pour le développement d’une nouvelle génération de cellules photovoltaïques. Ce travail décrit la synthèse et les caractérisations de nanoparticules de silicium dans une matrice d’oxynitrure de silicium. Il est possible d’obtenir des nanoparticules de silicium de diamètre compris entre 3 et 7 nm dans des matrices allant du nitrure de silicium à l’oxyde de silicium. Les propriétés des nanoparticules dépendent très fortement de la composition de la matrice. Afin d’accroître la conduction dans ces couches diélectriques, nous avons effectué un dopage électrique par implantation ionique. La localisation et la densité des ions implantés ont été observées par des techniques associées de microscopie électronique en transmission et de rayons X. Une augmentation de la conduction a été démontrée lors du dopage permettant d’observer un effet photovoltaïque sur une structure comportant des nanoparticules de silicium. / Quantum effects in nanostructures exhibit properties that can be very useful for the development of a new generation of solar cells. We investigated the synthesis of silicon nanostructures in silicon oxynitride made by a plasma enhanced chemical vapour deposition technique. Thus, silicon nanoparticles of diameter between 3 and 7 nm were obtained in different matrix ranging from silicon oxide to silicon nitride. The properties highly depend on the composition of the matrix. We also study the incorporation of impurities in the films with the aim of increasing the electrical conductivity of the structure. This was done by implanting different ions in the structure followed by thermal annealing. We have investigated the position of the ion and its content in the composite by combining Transmission Electron Microscopy and X-ray diffraction. Finally, N+/P junctions were fabricated using highly doped films containing silicon nanoparticles and a photovoltaic effect was demonstrated.