Au cours des dix dernières années, les hétérostructures à base de matériaux oxyde ont été grandement étudiées comme potentiel systèmes d’application pour le nanoélectronique. Parmi eux, les ferroélectriques (FE) sont particulièrement intéressants comme support pour ces applications technologies. En effet, leur polarisation électrique spontanée, aisément réversible par application d’un champ électrique en fait de bons candidats pour le stockage de données non-volatile. Renverser la polarisation nécessite un contact avec une électrode, ainsi les hétérostructures de films mince de FE avec électrodes métalliques ont été grandement étudiées. A l’interface entre les deux matériaux, les charges libres de l’électrode permettent d’écranter les charges de surfaces, détrimentales au maintien de la polarisation au sein du film FE. Avec des électrodes d’oxyde métalliques, un déplacement ionique à l’interface électrode/FE va d’avantage favoriser cet écrantage, plaçant l’interface au cœur du processus d’écrantage. Cependant, malgré d’importantes découvertes théoriques, les données expérimentales sont rares et le comportement exact de l’interface électrode/FE est seulement partiellement maitrisée. Une plus grande compréhension est indispensable pour une intégration correcte des films FE dans des dispositifs nanométriques. Dans cette thèse, des techniques basées sur la spectroscopie de photoémission sont utilisées pour sonder l’interface enfouie d’une hétérostructure électrode/BaTiO₃/électrode, dans le cas de deux électrodes différentes : l’oxyde métallique SrRuO₃ et le métal cobalt. Nous avons acquis des informations sur le comportement de l’interface et sa réponse au renversement de la polarisation. Ce travail est un nouveau pas vers une plus grande maitrise des phénomènes physiques gouvernant le comportement de l’interface entre électrodes le ferroélectrique BaTiO₃, en termes de propriété électronique, de cinétique et de fatigue. Les expériences présentées couplent des techniques d’analyses de pointes, où l’utilisation de rayons X durs et l’application de champs électriques in situ ont rendus possible la difficile tâche de sonder des interfaces enfouies en condition de fonctionnement. / In the past decade, oxide-based heterostructures have been studied extensively as potentially attractive systems for applications in nanoelectronics. Among them, ferroelectric materials raised interest as potential support for those technological applications. Indeed, their spontaneous electric polarization easily switched by applying an electric field makes them a good basis for non-volatile data storage. Switching the polarization requires a metallic contact with an electrode, thus heterostructures of ferroelectric thin films with metallic electrodes have been widely studied. At the interface between those two materials, free charges of the electrode help screening the polarization induced surface charges detrimental to maintaining proper polarization in the ferroelectric thin film. With metallic oxide electrodes, an ionic displacement at the electrode/ferroelectric interface will help the screening. However, despite important theoretical discoveries, direct experimental data is scarce and further understanding of the interface behavior is crucial for a proper integration of ferroelectric films in functioning nanometer sized devices. In this thesis, photoemission spectroscopy based techniques are used to probe the buried interface of an electrode/BaTiO₃/electrode heterostructure, for two different electrodes: the metallic oxide SrRuO₃ and the Co metal. We acquired information on the behavior of the interface and its response to polarization switching. This work is a new step towards a complete understanding on the behavior of the interface between electrodes and the BaTiO₃ ferroelectric, in device-like heterostructures, in terms of electronic properties, kinetic, and fatigue. The experiments presented combined state of the art characterization techniques, where the use of hard X-rays and in situ bias application made it possible to resolve the difficult task of probing buried interfaces in working conditions.

Fin des années 1980, la découverte de l'effet magnétorésistif géant, qui se caractérise par une variation importante de la résistance électrique d'un matériau lorsqu'on le soumet à un champ magnétique, a eu un impact très important tant au niveau des études fondamentales qu'en vue d'applications industrielles telles que la réduction de la taille des disques durs des ordinateurs (Prix Nobel d'A. Fert en 2007). L'engouement ainsi suscité a permis de mettre en évidence cet effet, au début des années 1990, dans les couches minces d'oxyde de type pérovskite ABO3 et plus particulièrement dans les manganites de terres rares (Ln1-xAx)MnO3. Le but de ce travail s'inscrit dans ce cadre et concerne l'élaboration et l'étude des propriétés physiques (structurales, magnétiques, de transport et magnétocaloriques) de nouveaux manganites qui pourraient avoir des applications dans un domaine connexe qui est la réfrigération magnétique. En effet, cette dernière décennie, a vu les découvertes de nouveaux composés présentant des effets magnétocaloriques géants qui ont conduit aux premiers essais de laboratoire de la réfrigération magnétique. Celle-ci semble être l'une des alternatives très sérieuses pour le remplacement des systèmes de réfrigération classique basés sur la compression-détente des gaz. Cette nouvelle technique, comparée aux techniques traditionnelles, présente plusieurs avantages, elle est plus efficace sur le plan énergétique, plus compacte et surtout moins nuisible à l'environnement. La première partie de ce travail porte sur l'élaboration et la caractérisation des composés de formule La1-xCexMnO3. Nous avons étudié l'effet du recuit sur les propriétés morphologique, structurale, magnétique et magnétocalorique de ces composés. L'application du modèle de Landau, en bon accord avec les résultats expérimentaux de la mesure l'entropie magnétique SM, a montré que la nature de transition de phase dépend aussi de la température de recuit. La composition x=0.4 de ce composé présente la valeur la plus élevée du facteur de mérite RCP, ce qui en fait un bon candidat pour les applications à la réfrigération magnétique. Dans une deuxième partie une étude des propriétés morphologique, structurale, magnétique et magnétocalorique des manganites de formule La0,7Ca0,15Sr0,15Mn1-xFexO3 a été réalisée. Le fer n'influe pas sur les propriétés structurales mais entraîne une diminution de la température de Curie TC. Afin d'approfondir ces études, nous avons proposé un matériau composite basé sur deux composés La0,7Ca0,15Sr0,15Mn1-xFexO3 (x = 0,025 et 0,75). La variation d'entropie du composite reste approximativement constante entre 260 et 300 K. En conséquence, ce matériau composite peut être un très bon candidat pour la réfrigération magnétique au voisinage de l'ambiante. Dans une dernière partie, nous avons étudié l'effet du double échange, de la méthode de préparation, le rayons du site A et la nature magnétique du dopant au site B sur les propriétés magnétocaloriques en caractérisant la famille des composés La0,6A0,4Mn1-xFexO3 (A= Ca, Sr et 0≤x≤0,2) par diffraction des rayons X et par mesures magnétiques. D'une part, l'entropie magnétique maximale augmente avec le rayon du site A et est peu affecté par le rayon du site B et d'autre part, la méthode de préparation solide-solide est à privilégier puisqu'elle permet d'obtenir les plus grandes valeurs d'entropie magnétique maximale. / Since the discovery of the giant magnetoresistance effect (end of 1980s), which is characterized by a large change in the electrical resistance of a material under the effect of a magnetic field, a major impact has been motivated both on fundamental and practical aspects (Nobel Prize of A. Fert in 2007). The intensive research activities in this field have leaded in the end of 1990 to point out the giant magnetoresitance in thin films of perovskite family, in particular the manganites (Ln1-xAx)MnO3. The aim of this work concern the study of the structural, magnetic, electrical and magnetocaloric properties of new manganites based materials in view of their application in the magnetic cooling. It is worth noting that in recent years, a giant magnetocaloric effect has been reported in several materials leading to the implementation of new efficient magnetic cooling systems. This technology is considered actually as the most alternative to replace the classical systems based on the compression-relaxation process. Compared with conventional refrigeration, magnetic cooling presents relevant advantages such as a decrease of energy consumption (high efficiency) and reduction of the acoustic and environmental pollution (elimination of the standard coolants: CFC, HCFC). The first part of this work concerns the elaboration as well as the characterization of the compound with La1-xCexMnO3 formula. We have studied the role of the annealing on the morphological, structural, magnetic and magnetocaloric properties of these materials. Using the Landau theory, we have calculated the magnetic entropy change ΔSM, which is found in good agreement with the measurements, and we have shown that the nature of the magnetic transition depends also on the annealing temperature. The compound with the composition x = 0.4, presents a large value of the figure of merit RCP, which make this material a good candidate for magnetic cooling application. In the second part, a detailed study of the morphological, structural, magnetic and magnetocaloric properties of the compounds with La0,7Ca0,15Sr0,15Mn1-xFexO3 formula has been performed. The iron Fe don't affect the structural properties, but induces a decrease of the Curie temperature. Based on the La0,7Ca0,15Sr0,15Mn1-xFexO3 (x = 0, 025 et 0,075) compositions, a composite material was proposed. The entropy change of the composite remains approximately constant in the temperature range between 260 and 300 K. Consequently, the proposed composite can be a good refrigerant for room temperature applications, in particular the magnetic cooling systems that use AMR or Ericsson thermodynamic cycles. In the last part, we have investigated the effect of the double exchange, preparation method and, ionic radius in A site and the magnetic nature on the doping in B site on the physical properties of La0,6A0,4Mn1-xFexO3 (A= Ca, Sr et 0≤x≤0,2) by using X-rays diffraction and magnetic measurements. The results demonstrate that the maximum entropy change increases with the ray of A site while it is slightly affected by the B site ray. On the other hand, it seems that the solid-solid preparation technique allows to obtain compounds with high magnetocaloric performances.

De manière générale, les composites oxyde/oxyde sont la plupart du temps élaborés par frittage, par voie sol-gel ou par infiltration en phase gazeuse, CVI (« Chemical vapor infiltration »). Ces techniques d’élaboration comportent de nombreuses étapes engendrant un temps long d’élaboration ce qui peut entraîner une détérioration des propriétés du composite. Cette thèse s’intéresse à un procédé original et rapide de densification de préformes fibreuses développé par le Commissariat à l’Energie Atomique et aux énergies alternatives (CEA) : la caléfaction. Ce procédé est connu pour élaborer des composites C/C ou C/SiC à partir d’un précurseur liquide. Cependant, la possibilité d’élaborer des composites oxyde/oxyde n’a jamais été testée. L’objectif de ce travail est d’étudier la réalisation de composites oxydes/oxydes par ce procédé. Plusieurs matrices ont été réalisées telles que la silice, l’alumine et le système ternaire aluminosilicate de baryum, BaSi2Al2O8. Plusieurs paramètres expérimentaux ont été étudiés tels que la température d’élaboration, le temps de manipulation et la composition du précurseur. Des caractérisations microstructurales et physico-chimiques ont permis de caractériser les matériaux élaborés. Plusieurs modifications ont été apportées au montage expérimental afin de permettre une meilleure reproductibilité des essais et un meilleur suivi thermique lors de l’élaboration de matrice oxyde. / Nowadays, oxide/oxide composites are most of the time developed by sintering, sol-gel process or CVI (Chemical Vapor Infiltration). These techniques include many steps of synthesis leading to a long time of synthesis and possible deteriorations of the properties of the composite. This thesis focuses on an original and rapid process developed by French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA): the film boiling chemical vapor infiltration. This technique is already used to synthesize C/C and C/SiC composites but works have never focused on oxide/oxide composites. The main goal of this thesis is to synthesize oxide/oxide composites by film boiling chemical vapor infiltration. Works were focused on alumina, silica and barium aluminosilicate matrices. Several experimental parameters were studied: temperature, time and liquid precursor. Microstructural and physicochemical characterizations were done on composites. Several modifications of the experimental setup have been made in order to allow a better reproducibility of the tests and a better thermal monitoring.

Dans le contexte général lié aux économies d'énergie, l'amélioration sensible du rendement des turbines à gaz (aéronautiques ou terrestres), nécessitera d'augmenter notablement la température des gaz de combustion. Cela implique l'emploi de matériaux stables au-delà de 1 500°C. Les céramiques eutectiques préparées par solidification dirigée, à partir des systèmes Al2O3 - Ln2O3 (où Ln représente un élément lanthanide ou l'yttrium) sont une solution envisageable. En effet, leur microstructure, constituée d'un réseau interpénétré 3D de deux phases monocristallines, et exempte de pores, de colonies et de joints de grains, confère à ces systèmes eutectiques des propriétés mécaniques d'un bon niveau, et quasi-constantes jusqu'à des températures proches de leur température eutectique (> 1 700°C). Nos travaux ont consisté à élaborer plusieurs systèmes eutectiques binaires et ternaires, par ajout d'une phase ZrO2 renforçante. Les six systèmes présentant les microstructures les plus prometteuses (3 binaires : Al2O3 - Y3Al5O12, Al2O3 - Er3Al5O12, Al2O3 - GdAlO3, et 3 ternaires : Al2O3 - Y3Al5O12 - ZrO2, Al2O3 - Er3Al5O12 - ZrO2, Al2O3 - GdAlO3 - ZrO2) ont été retenus pour étudier certaines de leurs propriétés mécaniques. Plusieurs modes de fissuration, allant dans le sens de l'augmentation de ténacité détectée dans ces systèmes, ont été décelés après des essais de flexion biaxiale. Ces modes de fissuration ont été corrélés aux caractéristiques microstructurales et à la distribution des contraintes résiduelles, déterminées par le calcul et mesurées par une méthode piézo-spectroscopique. Enfin, l'étude du comportement en fluage à haute température a permis de mettre en évidence une évolution des mécanismes de déformation en fonction des conditions de sollicitation. L'étude MET post mortem a également souligné l'influence marquée du caractère interconnecté de la microstructure sur le comportement en fluage.

L’oxyde nitreux (N2O) est le troisième plus important gaz à effet de serre et sa concentration atmosphérique est en constante augmentation. Pourtant, de nombreuses sources de ce gaz sont encore méconnues, notamment en arctique. Cette étude a permis de déterminer la distribution horizontale et verticale du N2O dans les eaux du détroit de Lancaster et du nord de la baie de Baffin et d’en déterminer la source. Les résultats montrent que la zone étudiée est un amalgame hétérogène de sources et de puits de N2O atmosphérique et que ce gaz est produit par la nitrification, une réaction localement limitée par le substrat. La présence d’eaux sursaturées en N2O sous la surface pouvant remonter à la surface lors de tempêtes, de même que l’augmentation des dépositions atmosphériques de composés azotés réactifs, suggèrent que le potentiel d’augmentation des émissions d’oxyde nitreux est bien présent dans cette région arctique. / Nitrous oxide (N2O) is the third most important long-lived greenhouse gas, and its atmospheric concentration is steadily increasing. However, many sources of this gas remain unknown, particularly in the Arctic. In this study, we determined the horizontal and vertical distribution of N2O in the waters of Lancaster Sound and the north of Baffin Bay, and we identified its source. Results show that the study area is a heterogeneous mixture of nitrous oxide sources and sinks, and that this gas is produced by nitrification, a locally substrate-limited reaction. With the presence of subsurface N2O oversaturated waters that could reach the surface during storms, and with the predicted increase in atmospheric reactive nitrogen deposition, conditions are set for a potential rise in the N2O emissions from this Arctic area.

L'oxyde nitreux (N₂O) est l'un des gaz à effet de serre (GES) parmi les plus puissants et il joue un rôle important dans le réchauffement global. Pour mesurer les sources à faibles émissions de N₂O, les approches conventionnelles sont souvent sophistiquées et coûteuses et l'approche par échantillonnage à flux passif montre un intérêt. Le but de la présente recherche est d'optimiser la performance de l'échantillonneur à flux passif de Godbout et al. (2006) et Gaudet (2005) dans les différentes étapes de son utilisation : le conditionnement de l'appareil, l'adsorption et la désorption du N₂O. L'échantillonneur de Godbout et al. (2006) et Gaudet (2005) utilise une couche de 2 mm de zéolite pour adsorber le N₂O. Lorsque l'air passe à travers l'échantillonneur à une vitesse proportionnelle à la vitesse de l'air à l'extérieur, la zéolite adsorbe le N₂O. Par la suite, le N₂O contenu dans l'adsorbant est désorbé thermiquement. La concentration de gaz est déterminée à l'aide d'un chromatographic à gaz et ensuite, la masse désorbée est calculée afin d'obtenir la valeur de l'émission de N₂O. Dans le cadre de cette étude, l'échantillonneur a été étanchéifié et modifié pour en faciliter l'assemblage. L'épaisseur de l'adsorbant a été augmentée à 4, 6 et 8 mm, ce qui a permis d'augmenter sa capacité d'adsorption de 96, 187 et 275 % respectivement. Les résultats de l'évaluation de la performance de l'échantillonneur modifié montrent une augmentation de l'efficacité d'adsorption de 91 % (Gaudet 2005) à 96,5, 98,3, 98,3 et 98,4 % et une augmentation de l'efficacité de désorption de 68 % à 83 %, de 57 % à 75 %, de 45 % à 82 % et de 30 % à 74 % pour les échantillonnées pourvus de couches de 2, 4, 6 et 8 mm respectivement. Également, la conception des montages et des modes opératoires ont permis à l'échantillonneur d'obtenir des mesures avec une exactitude moyenne de 77,3 % et une variabilité moyenne de 13,6 %. Suite aux résultats, il est possible d'affirmer que les modifications apportées à l'échantillonneur et aux procédures d'analyse ont permis d'améliorer ses performances et de faire progresser son développement.

Les travaux présentés portent sur l’étude et l’élaboration de la synthèse de nanoparticules d’oxyde de cérium CeO2 et l’oxyde mixte CexZr(1-x)O2 avec une morphologie contrôlée. Différentes morphologies telles que; nanocubes, nanobarres et nanopolyhèdre ont été obtenues dépendamment des conditions de synthèse. Un dépôt d'or à la surface des nanoparticules synthétisées a été effectué. Le choix de l'or s'est fait étant donné son grand pouvoir catalytique à basse température. Ces catalyseurs ont été caractérisés par différentes techniques (TEM, BET) et ont fait l’objet d’essais catalytiques pour l’oxydation du CO. Les résultats montrent que les nanocatalyseurs sous forme cubique donnent un meilleur résultat comparé aux nanobarres et nanopolyhèdre. Ceci s’explique par le fait que leur surface spécifique est supérieure et par la préférence des sites actifs d’or à se déposer sur la face (100) des nanocubes. Ce résultat est corroboré par les énergies d’activation calculées. Afin d’améliorer l’activité catalytique et la stabilité de ce type de nanocatalyseurs, on a substitué une partie du cérium du zirconium. Les résultats des tests catalytiques montrent que la limite de substitution ne peut excéder 10% en zirconium. Au-delà de ce taux, la conversion complète du CO en CO2 est nettement inférieure à celle du nanocatalyseur à base de simples nanocubes de CeO2. / The presented works involve the study and the elaboration of the synthesis of cerium oxide CeO2 and oxide mixed CexZr(1-x)O2 nanoparticles with a controlled morphology. Various morphologies including nanocube, nanobar and nanopolyhedron have been obtained depending on the synthesis conditions. A deposit of gold on the surface of synthesized nanoparticles has been carried out. The choice of gold nanoparticles as active phase is due to their high catalytic activity at low temperatures. These catalysts had been characterized by various techniques (TEM, BET) and subjected to catalytic tests for CO oxidation. The results show that the cubic form of nanocatalysts give a better result compared to nanobars and nanopolyhedron. This is explained by the fact that their specific surface is greater and preferably gold nanoclusters to be deposited on the face (100) nanocubes. The obtained result is supported by the activation energy calculation. In order to improve the catalytic activity and stability of this type of Nanocatalyst, a portion of the cerium zirconium has been substituted. The catalytic test results show that the substitution limit shall not exceed 10% zirconium. Beyond this level, the complete conversion of CO to CO2 is significantly smaller than the nanocatalysts based on simple nanocubes CeO2.

Dans un contexte de crise environnementale et d'épuisement des ressources énergétiques conventionnelles, le modèle énergétique obsolète fondé sur les combustibles fossiles doit être redéfini et redessiné. Malgré plusieurs types d'énergies alternatives renouvelable en développé et en cours de développé, en sachant qu'elles jouent un rôle important à moyen et long terme, l'utilisation de l'énergie solaire présente actuellement un grand intérêt aux scientifiques. La production d'hydrogène par la dissociation de l'eau et le dispositif photovoltaïque en convertit directement la lumière solaire en électricité devient plus compétitifs mais son coût ne cesse de diminuer en parallèle du progrès de la technologie. En conséquence, cette thèse concentre sur la synthèse et la modification de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) et aussi parlant de la fabrication et de l'optimisation des dispositifs basés sur ces nanoparticules pour des applications photovoltaïque et de la photo-catalyse par la dissociation de l’eau. La synthèse et la modification des nanoparticules de TiO2 ont été optimisées pour contrôler la morphologie des particules, spécialement leur taille et leur forme, en utilisant différents types de surfactants. Ceci nous a permis de développer des nanoparticules de TiO2 avec différentes formes, telles que les nanosphères, les nanotiges, les nanorhombiques, et différentes tailles allant de 3 x 40 nm à 3 x 20 nm. L’effet du surfactant sur la morphologie des nanoparticules de TiO2 a été soigneusement caractérisé et analysé. La modification de la surface des nanoparticules de TiO2 ainsi développées par du sulfure de cadmium (CdS) a été optimisée dans le but de les utiliser dans les cellules solaires hybrides à hétérojonction volumique (BHJs) et aussi pour la production d’hydrogène via la dissociation de l’eau. Il a été démontré que l’efficacité de conversion de la puissance énergétique des BHJs a été augmentée de l'ordre de 17 fois en utilisant les nanotiges modifiées TiO2/CdS comparativement au nanotiges TiO2 non modifiées. Finalement, il a été démontré que la modification en surface des nanoparticules de TiO2 par du CdS et du Nickel menait à une nette amélioration dans la performance production d’hydrogène via la dissociation de l’eau. Cette réaction de dissociation présentait une stabilité. / In a context of environmental crisis and depletion of conventional energy resources, the current energy model based on fossil fuels is obsolete and needs to be redefined and redesigned. Even though, there are many different renewable alternatives developed or under developing, which are expected to take a main role in the middle and long term. The use of energy from the sun is currently attracting much attention from the scientists. For example, hydrogen generation via water splitting and photovoltaic devices that convert directly sunlight into electricity become more competitive as the cost continues to decrease with the technology advancement. Taking this into account, this thesis is focused on the synthesis and modification of titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NPs) and the development and optimization of devices based on these nanoparticles for photovoltaic applications and photocatalyst water splitting. The synthesis of TiO2 NPs was mainly emphasized on controlling the morphologies, especially their shape and size, by using different types of capping agents. TiO2 NPs with various shapes, such as nanosphere, nanorod, nanorhombic, and various sizes from 3 x 40 nm to 3 x 20 nm were achieved. The effects of capping agent on TiO2 NPs morphologies were characterized and analyzed carefully. Based on the developed TiO2 NPs, cadmium sulfide (CdS) was deposited on the surface of TiO2 NPs, and then was optimized for the hybrid bulk heterojunction solar cells (BHJs) and photocatalytic hydrogen production via water splitting. Especially, with the use of TiO2-based nanocomposites in BHJs systems, it showed improvement of around 17 times in power efficiency conversion compared to the system used unmodified TiO2 NPs. On the other hands, with the use of a new non-noble metal-nanocomposites composed of CdS/TiO2, and Nikel clusters, the performance of the photocatalytic hydrogen production via water splitting system was enhanced and it showed that the reaction is stable up to 15h.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les oxydes supraconducteurs à température critique élevée, à base de bismuth et comportant 2 ou 3 plans cuivre, sont synthétisés suivant diverses méthodes. Nous réalisons ensuite l'élaboration par frittage de matériaux composites aléatoires, constitués d'une dispersion de grains supraconducteurs de phase au bismuth 2212 dans une matrice d'argent. Nous étudions la résistivité électrique et l' aimantation en effet d'écran des matériaux en fonction de la température, du champ magnétique et de la concentration en phase supraconductrice. Les comportements observés sont interprêtés dans le cadre d'une approche phénoménologique impliquant la notion de "liens supraconducteurs faibles". Enfin, nous tentons de relier, par des mesures de spectroscopie de photoelectrons X, les informations statistiques obtenues aux caractéristiques chimiques des jonctions intergranulaires.