Cette thèse passe en revue la production de carburant à partir d’énergie solaire de H2O et de CO2 à l'aide d'un photocatalyseur, ce qui est considéré comme l'une des solutions les plus prometteuses pour la lutte contre le réchauffement climatique et la crise du carburant. Cette thèse propose quatre nouvelles approches pour développer des photocatalyseurs nanostructures efficaces pour la réduction photocatalytique du CO2 et la production de H2. L’absorption de la lumière, la séparation des charges et les réactions de surface sont des aspects critiques qui ont un impact énorme sur la photoréduction du CO2 et la production photocatalytique de H2. Le g-C3N4 et les matériaux pérovskites sont des candidats appropriés pour ces processus, car ils offrent des caractéristiques structurelles et des propriétés exceptionnelles. Un grand nombre de photocatalyseurs nanostructures sont actuellement développés pour la photoréduction du CO2 et la production photocatalytique de H2. Les nanostructures 2D et les nanocomposites hétérostructures sont largement étudiés en raison de leurs excellentes propriétés telles que la séparation efficace et la longue durée de vie des porteurs de charge. De manière prometteuse, les nanostructures 2D et les nanocomposites des matériaux g-C3N4 et pérovskites présentent d'excellentes performances photocatalytiques, selon la littérature scientifique. Des nanofeuilles de pérovskite HCa2Ta3O10 réduites et des nanocomposites à hétérostructures g-C3N4/CdS sont des photocatalyseurs développés pour la photoréduction du CO2 sous la lumière du soleil. Les nanofeuilles de pérovskite HCa2Ta3O10 réduites sont préparées à partir de la pérovskite en couches CsCa2Ta3O10 par une méthode d'échange d'ions simple couplée à un traitement sous H2. Elles présentent une surface très élevée et une meilleure absorption de la lumière solaire. Leur large bande interdite est considérablement rétrécie par une introduction considérable de Ta+4 et de lacunes d'oxygène. En tant que support des nanoparticules de Pt et CuO, les nanofeuilles réduites présentent une activité photocatalytique de réduction du CO2 améliorée avec formation principale d'éthanol. Le nanocomposite g-C3N4/CdS hétérostructure est synthétisé par une méthode avancée développée par notre groupe en utilisant les gazes NH3 et H2S sous une haute pression créée in situ. Elle fracture la structure du C3N4, créant des nanoparticules CdS (NP) à la surface de iv la structure C3N4 modifiée. Le nanocomposite synthétisé comporte un C3N4 poreux lié aux nanoparticules CdS via le pont C-S-Cd. La structure est particulière avec la présence de nanoparticules de CdS qui favorise une photoréduction améliorée du CO2 sous la lumière du soleil avec une sélectivité élevée de production de CO. Les nanofeuilles et nanofragments de g-C3N4 sont synthétisés par de nouvelles approches en tant que photocatalyseurs pour la production de H2. Le complexe supramoléculaire de mélamine et d’acide cyanurique (MCS) avec une structure lamellaire condensée est synthétisé pour la première fois dans un autoclave à haute pression en tant que précurseur riche en N. La structure particulière du complexe MCS permet la formation directe de nanofeuilles g-C3N4 avec une surface spécifique élevée et une absorption de lumière significativement améliorée dans la région visible par le processus de traitement thermique à basse température. Les nanofeuilles telles que préparées peuvent générer un taux de production de H2 élevé en utilisant le spectre lumineux étendu à 550 nm avec une efficacité quantique élevée de 3,5%. Il est intéressant de noter que la préparation du complexe MCS induit une haute pression de NH3 et H2O, qui peut fracturer sélectivement la structure de C3N4 pour former des nanofragments avec une cristallinité élevée et des groupes fonctionnels abondants (-OH et -NH2). Les nanofragments préparés présentent des caractéristiques supérieures telles que la séparation et le transfert rapides des charges avec un excellent entraînement de charge, un niveau de bande de conduction élevé et une meilleure adsorption et activation des protons. Ils présentent une production photocatalytique exceptionnelle de H2 sous la lumière du soleil, avec un rendement quantique de 12,3% à 420 nm. / The thesis, herein, reviews solar-fuel production from H2O and CO2 using photocatalysts, which is considered as one of the most promising solutions to tackle global warming and fuel crisis. Importantly, this thesis provides four novel approaches to develop efficient nanostructured photocatalysts for both photocatalytic CO2 reduction and H2 production. Light-harvesting, charge separation, and surface reactions are critical aspects that have an enormous impact on the CO2 photoreduction and photocatalytic H2 production. g-C3N4 and perovskite materials are suitable candidates for these processes as they offer outstanding structural features and properties. A large number of nanostructured photocatalysts are currently developed for both CO2 photoreduction and photocatalytic H2 production. 2D nanostructures and nanocomposite heterostructures are widely studied because of their excellent properties such as efficient separation and long lifetime of charge carriers. Promisingly, 2D nanostructures and nanocomposites of the g-C3N4 and perovskite materials exhibit excellent photocatalytic performance, according to literature studies. Reduced HCa2Ta3O10 perovskite nanosheets and g-C3N4/CdS heterostructure nanocomposite are developed photocatalysts for the CO2 photoreduction under sunlight. Reduced HCa2Ta3O10 perovskite nanosheets are prepared from the layered perovskite CsCa2Ta3O10 by a simple ion-exchange method coupled with the H2 treatment. They exhibit very high surface area and improved sunlight absorption. Their wide-bandgap is significantly narrowed by a considerable introduction of Ta+4 and oxygen vacancies. By the support of deposited Pt and CuO nanoparticles, the reduced nanosheets exhibit an enhanced photocatalytic CO2 reduction activity with the primary formation of ethanol. g-C3N4/CdS heterostructured nanocomposite is synthesized by an advanced method developed by our group employing an in-situ-created high-pressure of NH3 and H2S. It fractures the carbon nitride framework, simultaneously creating CdS nanoparticles (NPs) on the surface of the modified C3N4 structure. The prepared nanocomposite contains a porous C3N4 structure in intimate contact with CdS nanoparticles via the C-S-Cd bridge. The distinctive structure with the presence of CdS nanoparticles favors an enhanced sunlight-driven photoreduction of CO2 with high selectivity toward CO. vi g-C3N4 nanosheets and nanofragments are synthesized by novel approaches as photocatalysts for the H2 production. Highly condensed lamellar melamine–cyanuric acid supramolecular (MCS) complex is synthesized, for the first time, in an autoclave at high pressure as the Nrich precursor. The distinctive structure of the MCS complex allows the direct formation of g-C3N4 nanosheets with high specific surface area and significantly enhanced light absorption in the visible region under low-temperature thermal treatment. The as-prepared nanosheets can generate a remarkable H2 production rate under the light spectrum extending to 550 nm with a high quantum efficiency of 3.5%. Interestingly, the preparation of the MCS complex induces a high-pressure of NH3 and H2O, which can fracture the C3N4 framework selectively to form nanofragments with high crystallinity and rich functional groups (-OH and -NH2). The prepared nanofragments display superior features such as rapid charge separation and transfer with excellent charge drive, high conduction band (CB) level, and improved proton adsorption and activation. They exhibit an outstanding photocatalytic H2 production under sunlight, with QE as high as 12.3% at 420 nm.

Dans le cadre d'un programme de recherche sur la mise au point de nanostructures peptidiques ayant une activité membranaire, des membres de l'équipe ont démontré que les peptides synthétiques, neutres et de 14 acides aminés avaient des propriétés cytolytiques comparables à celles des peptides cationiques. Le présent mémoire propose une étude sur le design, le développement et la caractérisation de nanostructures peptidiques à visée antimicrobienne. Diverses approches pour contrer le phénomène de résistance antimicrobienne ont été employées par plusieurs groupes de recherche. L'approche de notre laboratoire est présentée au chapitre 3. Les études de perméabilité membranaire de la banque de peptides synthétisés (chapitre 4) ainsi que les études conformationnelles (chapitre 5) ont permis d'en apprendre davantage sur les déterminants moléculaires responsables de l'activité antimicrobienne. La sélectivité du composé neutre de départ a été améliorée et nous savons que les peptides sélectifs adoptent une conformation de feuillet-P en milieu membranaire.

This thesis reports on the elemental growth of oxide thin films including TiO_x, BaO_x and Ba_xTi_yO_z by Ti/Ba deposition and oxidation. The films were grown on two different substrates, Au(111) and SrTiO₃(001), and studied using a variety of surface characterisation techniques. On the reconstructed Au(111) surface, three different TiO_x structures were obtained with increasing Ti amounts deposited: a (2 × 2) Ti₂O₃ honeycomb structure, a pinwheel structure that is the result of a Moiré pattern, and a triangular island TiO_1.30 structure. The structures arise from raised Ti coverages and have increased Ti densities. Although Ba deposited on the reconstructed Au(111) has a weak interaction with the substrate, the BaO_x thin films can grow epitaxially and lift the Au(111) reconstruction. Two well-ordered phases, a (6 × 6) and a (2√3 × 2√3) BaO_x structure, were obtained which may have octopolar-based surface structures. For Ba & Ti deposition on Au(111), a locally ordered (5 × 5) BaxTiyOz structure was observed in the sub-monolayer regime. What is more interesting is the possible formation of a BaO-TiO surface alloy with short-range ordering achieved by Ba deposition on the (2 × 2) Ti₂O₃-templated Au(111) surface. This is the first time that surface-alloying has been observed for oxides. When Ti is deposited onto the SrTiO₃(001) surface, it is incorporated into the substrate by forming a variety of Ti-rich SrTiO₃ surface reconstructions, such as c(4 × 2), (6 × 2), (9 × 2) and (√5 ×√5)-R26.6°. Ti deposition provides a completely different route to obtaining these reconstructions at much lower anneal temperatures than the previously reported preparation procedures involving sputtering and annealing the SrTiO₃ sample. Anatase islands with (1 × 3) and (1 × 5) periodicities were also formed by increasing the Ti deposition amount and post-annealing. Reconstructed SrTiO₃ substrate surface has a lattice that differs from the bulk crystal and affects the epitaxial growth of BaO, however, a locally ordered BaO_x structure was observed on the sputtered substrate with a growth temperature of 300 °C. Depositing Ba & Ti on SrTiO₃(001) results in the formation of BaO_x clusters and the Ti incorporation into the substrate, forming the familiar Ti-rich SrTiO₃ surface reconstructions.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l’élaboration de couches minces des biomatériaux biomimétiques nanostructurées par des techniques lasers pulsés et leur évaluation de point de vue physico-chimique et biologique (biocompatibilité, prolifération et différentiation cellulaires avec des biomatériaux). Le but vise à développer une nouvelle méthode de recouvrement d’implants osseux par des techniques laser pulsé avancées (PLD – Pulsed Laser Deposition et MAPLE - Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation). Ces techniques sont utilisées pour la synthèse d’un système biphasique composé de nanoparticules d’hydroxyapatite (HA) associées à des protéines d’adhérence type fibronectine (FN) et vitronectine (VN) déposées sur un substrat type titane. Le support métallique permettra de maintenir la rigidité mécanique, l’hydroxyapatite favorisera la bio-intégration dans le tissu osseux et les protéines accélèreront l’adhérence cellulaire. L’objectif principal est d’accélérer l’adhérence des cellules et formation des tissus sur les implants. Les études de prolifération et différentiation cellulaire suggèrent une prédisposition des cellules à la prolifération induite par les revêtements VN et à la différentiation stimulée par les revêtements FN. Les effets significatifs sur l’attachement, l’adhésion et la prolifération observés dans nos études sont très importants pour la première phase de stabilité mécanique d’un implant. Les couches HA/protéines déposées par laser pourraient permettre de réduire cette phase. / The work presented within the thesis concern the fabrication of biomimetic nanostructured biomaterial thin films by pulsed laser techniques and their evaluation from the physico-chemical and biological (cellular biocompatibility, proliferation and differentiation) points of view. The aim is to develop a new method for coating the osseous implants by advanced pulsed laser techniques (PLD – pulsed laser deposition and MAPLE – matrix assisted pulsed laser evaporation). These techniques are used for the fabrication of a biphasic system composed of hydroxyapatite (HA) nanoparticules associated with large adhesion proteins as e.g. fibronectin (FN) and vitronectin (VN) deposited on a titanium substrate. The metallic substrate will allow keeping the mechanical rigidity; the hydroxyapatite will favor the bio-integration in the osseous tissue while the proteins will accelerate the cellular adhesion. The main objective is to speed up the cellular adhesion and the formation of new tissue around the implant. The cellular proliferation and differentiation studies demonstrated a predisposal to cell proliferation induced by the VN coatings and to cell differentiation by FN. The significant effects on the cell adhesion, proliferation and differentiation observed in our studies are of great importance for the mechanical stability phase of the implant. The layers HA/proteins deposited by laser could reduce the time of this phase.

Les procédés de photodégradation, de conversion photocatalytique du CO2 et la technologie des supercondensateurs représentent des options intéressantes pour palier aux problèmes environnementaux et pour apporter des réponses à la crise énergétique. Dans ces trois domaines, les matériaux à base d'oxydes métalliques sont très prometteurs. Cependant, les voies classiques (c'est-à-dire par voies hydrothermales ou de sol-gels) présentent un certain nombre d’inconvénients tels que leur longues durées de préparation et leurs rendements limités. En outre, la mise en oeuvre de nanopoudres suppose une opération de post-filtration dans les procédés de photodégradation et l’utilisation supplémentaire d’un liant dans la confection d’électrodes de supercondensateurs, ce qui non seulement réduit les performances respectives de ces deux procédés mais entrave également leur développement au niveau industriel. Dans cette thèse, les technologies SPPS (Solution Precursor Plasma Spray) et SPFS (Solution Precursor Flame Spray) ont été introduites pour préparer des films d'oxydes métalliques à base de ZnO, en bénéficiant des avantages de rapidité et simplicité de ces techniques de formation de dépôts. Les films ainsi obtenues ont ensuite été testés dans des expériences de photodégradation, de conversion photocatalytique du CO2 et sous forme de supercondensateurs. Tout d'abord, à notre connaissance, c'est la première fois que l'on synthétise directement des nanostructures de ZnO (par exemple des nanotubes ou des nanofils) par des procédés SPPS. Ces films nanostructurés et hiérarchisés présentent non seulement une croissance préférentielle le long du plan cristallin (002), mais contiennent aussi des lacunes d'oxygène dans leurs réseaux. La mise en œuvre de simulations DFT a permis de proposer un mécanisme possible de croissance des nanostructures de ZnO lors de leur synthèse par la voie SPPS. Deuxièmement, divers films “composites”, constitués de ZnO et d’un second oxide “MO” ont également été préparés par SPPS afin de réduire les bandes d'énergie interdites. Dans cette partie de la thèse, nous avons étudié l’effet du rapport molaire MO/ZnO sur la structure des films MO/ZnO obtenus (M = Mn et Cu); nous avons aussi préparé, par cette nouvelle méthode, des films fins CuO/ZnO et CeO2/ZnO ainsi que des films de ZnO “décorés”. Troisièmement, des films mettant en œuvre des structures du type spinelle (tels que les oxydes mixtes ZnFe2O4, NiCo2O4, ZnCo2O4 et Co3O4) ont également été synthétisés et déposés à l’aide des techniques SPPS et SPFS, ceci en raison de leur grand intérêt pour les applications susmentionnées. Il a été constaté que les structures obtenues sont très sensibles aux rapports MO/ZnO et que les morphologies de surface dépendent davantage des paramètres d'injection des solutions. En outre, la puissance de la torche joue un rôle plus critique dans la synthèse in situ de la phase spinelle binaire que la température de préchauffage du substrat. Enfin, la voie de préparation par SPPS favorise la formation de dépôts de textures floconneuses, notamment dans le cas des films de NiCo2O4 et Co3O4, tandis que des particules de formes sphériques ont été plutôt observées dans les échantillons préparés par la voie SPFS... / The fields of research dealing with photodegradation, photocatalytic conversion of CO2 and supercapacitors are important to address environmental problems and respond to the energy crisis. Metal oxides are promising materials in these three domains. However, the conventional routes (i.e. hydrothermal, sol-gel) suffer from major deficiencies, namely their multi-step natures, their long preparation duration and small-scaled yields. Moreover, the usage of nanopowders implies a post-filtration operation at the end of the photodegradation processes and requires an additional binder in supercapacitor electrodes. In this thesis, “Solution Precursor Plasma Spray” (SPPS) and “Solution Precursor Flame Spray” (SPFS) technologies have been introduced to develop metal oxide films in view of the three aforementioned applications, benefiting from the facility and rapidity advantages of this one-step process.Firstly, to our best knowledge, it is the first time that films composed by ZnO nanostructures (e.g. nanorods, nanowires) are directly synthesized via a SPPS process. These hierarchical ZnO nanostructured films not only exhibit preferential orientation growth along the (002) crystal plane, but also feature in-situ oxygen vacancies. As a result, a possible growth mechanism of ZnO nanostructures via SPPS route was proposed.Secondly, various metal oxides composite films containing ZnO and a second metal oxide were also prepared by SPPS in an effort to narrow the energy bandgaps. In this work, not only the effect of the molar CuO/ZnO and MnO/ZnO ratio was investigated, but also laminated CuO/ZnO and CeO2/ZnO films and CuO, Co3O4 and Fe2O3 decorated ZnO nanorods films were pioneeringly deposited via this novel route.Thirdly, films involving spinel-type materials (including ZnFe2O4, NiCo2O4, ZnCo2O4 and Co3O4) were also synthesized and deposited by the SPPS and SPFS technologies, owing to their high-interest in the aforementioned applications. We found that the phase compositions are more sensitive to the Fe/Zn and Ni/Co ratios and that the surface morphologies are more dependent on the patterns of the solution injection. In addition, the power of the torch plays a more critical role on the in-situ synthesis of binary spinel phase. Besides, the SPPS route promotes the formation of flake-like particles both in the NiCo2O4 and Co3O4 films, while sphere-like particles were observed in the SPFS-prepared samples.Finally, some as-prepared films were selected to evaluate their performances within the three applications. On the one hand, Orange II was successfully (100%) degraded within 2h under UV irradiation and about 85% was removed within 6h under visible light irradiation. On the other hand, Co3O4 samples exhibited specific capacitances up to 1190 F g−1 with a retention capacity of 136% after 2500 cycles at a 20 mV/s scanning rate in 2 M KOH electrolyte. Finally, when using ZnCo2O4 as photocatalyst, CO2 was converted into CO by visible light irradiation with a maximum turnover number as high as 61.38 and a selectivity as high as 90.5 %.Overall, this work not only improves the performances of the three studied processes thanks to the use of novel, fast preparation methods, but also suggests that “Solution Precursor Thermal Spray” should be a highly promising technology for further, alternative functional applications that involve finely structured metal oxides film.

Les applications d’électronique de spin telles les mémoires à accès aléatoire (MRAM), les capteurs (e.g.les têtes de lecture des disques durs d’ordinateurs) et les éléments de logique magnétique utilisent les interactionsd’échange ferromagnétique/antiferromagnétique (F/AF) dans le but de définir une direction de référence pour lespin des électrons de conduction. Les MRAM à écriture assistée thermiquement (TA-MRAM) utilisent mêmedeux bicouches F/AF : une pour le stockage de l’information et l’autre comme référence. Ces dernièresapplications technologiques impliquent des étapes de nanofabrication des couches minces continues pour formerune matrice de cellules mémoires individuelles. La qualification industrielle du produit final impose de sérieusescontraintes sur la largeur des distributions des propriétés magnétiques - y compris d’échange F/AF - de cellulemémoire à cellule mémoire. Des phases verres de spin réparties de manière aléatoire sur la couche continue, àl’interface F/AF ou dans le coeur de l’AF pourraient contribuer de manière significative à ces distributionsd’échange F/AF dans les dispositifs, après nanofabrication ; comme supposé il y a de cela quelques années. Lebut de cette thèse est d’étudier factuellement le possible lien entre verre de spin répartis dans des couches mincesF/AF et dispersions de propriétés d’échange de cellule mémoire à cellule mémoire dans les dispositifs TAMRAMcorrespondants. Avant cela, l’origine de ces régions verre de spin a été étudiée et une attention plusparticulière a été portée au rôle joué par les diffusions de Mn. Ces dernières ont été directement observées,comprises et l’utilisation de barrières complexes pour les réduire et par là même pour diminuer la quantité dephases verre de spin a été mise en oeuvre avec succès. En guise d’alternative pour varier la quantité de verres despin, l’utilisation d’AFs composites a été également étudiée dans le cadre de cette thèse. Ce type d’AF permet dumême coup de varier la stabilité thermique des grains AF et de répondre à un autre problème identifié pour lesTA-MRAM qui consiste à trouver des matériaux AF avec des propriétés de rétention et d’écriture intermédiairespar rapport aux matériaux actuellement utilisés. Finalement, ces AFs composites ont été utilisés comme moyende varier la quantité de verres de spin dans des dispositifs TA-MRAM réels et de prouver le lien direct avec ladispersion de propriétés de cellule mémoire à cellule mémoire. / Spintronics applications such as magnetic random access memories (MRAM), sensors (e.g.. hard diskdrive read head) and logic devices use ferromagnetic/antiferromagnetic (F/AF) exchange bias (EB) interactionsto set the reference direction required for the spin of conduction electrons. Thermally-assisted (TA-) MRAMapplications even use two F/AF exchange biased bilayers: one for reference and one for storage. Suchtechnological applications involve patterning full sheet wafers into matrix of individual bit-cells. Industrialproducts qualification imposes stringent requirements on the distributions of the magnetic properties from cell tocell, including those related to EB. It was supposed few years ago that randomly spread spin-glass like phases atthe F/AF interface or within the bulk of the AF layer significantly contribute to the distributions of EB propertiesin devices after processing. This thesis aimed at factually studying the link between spin-glasses spread overF/AF thin films and bit-cell dispersions of EB in corresponding TA-MRAM. Prior to that the origin of the spinglasslike regions and more specifically the role of Mn-diffusion was consolidated. Mn-diffusion was directlyobserved, understood and the use of complex barriers to reduce such diffusion and consequently to minimize theamount of spin-glass was successfully studied. Mixing AFs as another way to tune the amount of spin-glass likephases was also evidenced in the framework of this thesis. All at once, this last solution also tuned the AF grainsthermal stability and this solved another issue related to TA-MRAM, i.e. finding AF-materials with intermediateretention and write properties compared to the AFs presently used. Finally, those mixed antiferromagnets werethe mean chosen to tune the amount of spin-glass like phases in real TA-MRAM devices and to factually provetheir link with bit-cell distributions of EB properties.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de l’influence des paramètres nano et microstructuraux pour l’optimisation des propriétés thermoélectriques des siliciures de magnésium Mg2(Si,Sn) de type -n. Ces matériaux thermoélectriques ont été choisis pour leurs compatibilités avec une utilisation en génération de puissance dans le domaine de l’automobile.Par une approche combinatoire utilisant les couples de diffusion, il est premièrement ré investigué le diagramme de phase pseudo-binaire Mg2Si-Mg2Sn dans le but d’interpréter les microstructures observées. Il est ensuite présenté les effets expérimentaux des paramètres de densification par frittage flash (SPS) sur les microstructures et les propriétés thermoélectriques résultantes. Finalement, il est explicité à l’aide de la modélisation l’influence des paramètres microstructuraux sur les propriétés thermoélectriques de l’alliage optimisé et nanostructuré Mg2Si0,3875Sn0,6Sb0,0125. / This study presents the influence of nano and microstructural parameters to optimize thermoelectric properties of n-type magnesium silicides Mg2(Si,Sn). These thermoelectric materials are chosen for their compatibilities with power generation in automotive.From a combinatorial approach using diffusion couples, it is first reinvestigated the pseudo-binary phase diagram Mg2Si-Mg2Sn to rationalize the observed microstructures. Then the experimental effects of sintering parameters (SPS) on resulting microstructures and thermoelectric properties are presented. Finally, the influence of microstructural parameters on the thermoelectric properties of optimized and nanostructured Mg2Si0,3875Sn0,6Sb0,0125 alloys are explained through modelling.

La décohérence dans les solides est un problème majeur vers la réalisation d'un processeur quantique basé sur l'utilisation de boîtes quantiques (BQs) semiconductrices comme qubits optiquement actifs. Mesurer et contrôler la cohérence optique de tels qubits s'avère donc primordial, tant d'un point de vue technologique que fondamental. Cependant, leurs tailles nanométriques, associées aux temps de vie sub-nanosecondes de leurs transitions optiques, rendent les mesures expérimentales très délicates.Ce travail de thèse propose une étude détaillée des mécanismes de déphasage et de couplage cohérent de complexes excitoniques fortement confinés dans des BQs InAs/GaAs individuelles. Pour réaliser ces mesures, j'ai développé une expérience de mélange à quatre ondes hétérodyne sensible à l'amplitude et à la phase du champ électrique émis par une BQ unique. Ce dispositif permet de mesurer le temps de vie et de cohérence d'un exciton unique, même en présence d'élargissement inhomogène. Pour augmenter l'interaction lumière-matière et l'efficacité d'extraction du signal, l'utilisation de nanostructures photoniques s'est avérée indispensable. La sensibilité optique du dispositif m'a permis d'étudier en détail les mécanismes d'interaction exciton-phonon, source importante de décohérence dans les solides, comme la formation du polaron acoustique, le couplage quadratique aux phonons acoustiques, et le déphasage induit pendant l'excitation. Par ailleurs, la réalisation de spectres bidimensionnels m'a permis de révéler le couplage cohérent entre différentes transitions excitoniques. Enfin, je présente un nouveau protocole de mélange multi-ondes permettant de contrôler la réponse cohérente d'un exciton unique que je propose d'appliquer sur une paire de BQs pour contrôler le couplage radiatif longue distance, étape fondamentale vers la réalisation d'une porte logique quantique dans les solides. / Decoherence in solids is a major issue towards the realization of a quantum processor based on semiconductor quantum dots (QDs) as optically active qubits. Measuring and controlling the optical coherence of such qubits is required in their fundamental studies, paving a way for technological applications. However, their nanometer size combined to the sub-nanosecond lifetime of their optical transitions, render experimental measurements very challenging.This thesis presents a detailed study of the dephasing mechanisms and the coherent coupling of excitonic complexes strongly confined in individual InAs/GaAs QDs. To achieve these measurements, I developed an heterodyne four-wave mixing experiment sensitive to the amplitude and phase of the electric field emitted by a single QD. With this setup one can measure the lifetime and the coherence time of a single exciton, even in the presence of inhomogeneous broadening. To increase the light-matter interaction and the extraction efficiency of the signal, the use of photonic nanostructures has proved to be necessary. The optical sensitivity of the setup allowed me to study in detail the mechanisms of exciton-phonon interaction, which is an important source of decoherence in solids, like the acoustic polaron formation, the quadratic coupling to acoustic phonons, and the excitation-induced dephasing. Furthermore, by inferring two-dimensional spectra, I demonstrate coherent couplings between various exciton complexes. Finally, I highlight a new multi-wave mixing protocol to control the coherent response of a single exciton, and I propose to employ it to control long-range radiative coupling between two QDs, which is a fundamental step towards achieving a quantum logic gate in solids.

Tunneling phenomenon has been studied since the time of Sir Isaac Newton. In the case of neutron tunneling phenomenon, it is the quantum mechanics wave-particle duality which manifests itself. In this case, particularly, the neutron wave-packet under total reflection condition suffers the so-called frustrated total reflection as known in standard optics. More accurately, this tunneling phenomenon shows itself via sharp dips in the plateau of total reflection. The prerequisite to observe such quantum mechanics phenomenon lies within a thin film Fabry-Perot resonator configuration. This thin film Fabry-Perot resonator geometry consists of two reflecting mirrors separated by a transparent material from a neutron optics viewpoint. In view of the specific neutron scattering properties related to the spin of the neutron wave-packet. As a direct proof, isotopic nickel based thin films Fabry-Perot resonator have been fabricated by depositing thin film of nickel by ion beam sputtering. The vacuum chamber was pumped down to the pressure of 10-8 mbar and deposition was performed at pressure of 2x10-4 mbar. The deposition rate was kept at 1.5 nm / minute and thickness layers were monitored by a calibrated quartz microbalance. Unpolarized neutron reflectometry measurements were carried out at the ORPHEE reactor using the time-of-flight EROS reflectometer. The incidence neutron wavelength varied between 3 – 25 Å. The grazing angle and angular resolution were of the order of 0.8˚ and 0.05 respectively. The software program, a Matlab routine for the simulation of specular X-ray and neutron reflectivity data with matrix technique, was employed to simulate the phenomenon and thereafter the experimentally obtained data and calculated (theoretical) data were compared. From the analysis of the comparison, a conclusion was drawn about the agreement between experimental data and theoretical data. The tunneling phenomenon has been observed in nanostructured isotopic nickel based thin film Fabry-Perot resonator. It manifested itself by the existence of dips, tunneling resonances, in the total reflection plateau due to quasi-bound states in the isotopic nickel based thin film Fabry-Perot resonator. In total, there were 7 tunneling resonances. The full widths at half maximum of these dips were found to decrease with increasing momentum wave vector transfer (Q) and this correlated to the neutron lifetime in the nanostructured isotopic nickel based thin film Fabry-Perot resonator. / Physics / M. Sc. (Physics)

Les capteurs d'image connaissent un regain d'intérêt grâce à la croissance remarquable du secteur de la communication sans fil, et leurs fonctionnalités tendent à se diversifier. Plus particulièrement, une application récente connue sous le nom de capteur de luminosité ambiante (ALS de l'acronyme anglais) est apparue dans le but de proposer un ajustement intelligent du rétro-éclairage dans les appareils mobiles pourvus d'écrans. Les avancées technologiques ont permis la fabrication de smartphones toujours plus fins, ce qui impose une contrainte importante sur la hauteur des capteurs de lumière. Cette réduction d'épaisseur peut être réalisée grâce à l'utilisation de filtres spectraux innovants, plus fins et entièrement sur puce. Dans cette thèse, nous présentons l'étude et la démonstration de filtres plasmoniques adaptés à une intégration dans des produits ALS commerciaux. Les structures de filtrage les plus performantes sont identifiées avec une importance particulière accordée à la stabilité des filtres par rapport à l'angle d'incidence de la lumière et à son état de polarisation. Des schémas d'intégration compatibles CMOS et respectant les contraintes d'une fabrication à l'échelle du wafer sont proposés. Les résonances de plasmon sont étudiées afin d'atteindre des propriétés optiques optimales et une méthodologie spécifique à partir d'un véritable cahier des charges client a été utilisée pour obtenir des performances ALS optimisées. La robustesse des filtres plasmoniques aux dispersions de procédé est analysée à travers l'identification et la modélisation des imprécisions et des défauts typiques d'une fabrication sur wafer 300 mm. A la lumière de ces travaux, une démonstration expérimentale de filtres ALS plasmoniques est réalisée avec le développement d'une intégration à l'échelle du wafer et avec la caractérisation et l'évaluation des performances des structures fabriquées afin de valider la solution plasmonique. / Image sensors have experienced a renewed interest with the prominent market growth of wireless communication, together with a diversification of functionalities. In particular, a recent application known as Ambient Light Sensing (ALS) has emerged for a smarter screen backlight management of display-based handheld devices. Technological progress has led to the fabrication of thinner handsets, which imposes a severe constraint on light sensors' heights. This thickness reduction can be achieved with the use of an innovative, thinnest and entirely on-chip spectral filter. In this work, we present the investigation and the demonstration of plasmonic filters aimed for commercial ALS products. The most-efficient filtering structures are identified with strong emphasis on the stability with respect to the light angle of incidence and polarization state. Integration schemes are proposed according to CMOS compatibility and wafer-scale fabrication concerns. Plasmon resonances are studied to reach optimal optical properties and a dedicated methodology was used to propose optimized ALS performance based on actual customers' specifications. The robustness of plasmonic filters to process dispersions is addressed through the identification and the simulation of typical 300 mm fabrication inaccuracies and defects. In the light of these studies, an experimental demonstration of ALS plasmonic filters is performed with the development of a wafer-level integration and with the characterization and performance evaluation of the fabricated structures to validate the plasmonic solution.