La forte progression démographique mondiale induit une demande d’énergietoujours en hausse. Ceci se traduit par un fort développement de nouvelles énergiesrenouvelables qui nécessitent, de par leur nature intermittente, des dispositifs de stockagede l’énergie. Parmi eux les supercondensateurs permettent un stockage électrostatique decharges (supercondensateurs à base de carbones activés), mais certains systèmes, ditspseudocapacitifs, font en outre intervenir des réactions redox rapides de surface.L’association des deux systèmes permettent d’accéder à des propriétés intéressantes, enparticulier pour le système MnO2/carbone activé. Cependant, les oxydes de manganèse sontd’excellents matériaux pseudocapacitifs mais assez peu conducteurs électroniques.L’objectif de ce travail est d’améliorer cette conductivité en les associant avec des oxydes decobalt conducteurs. Pour cela, une approche « architecturale » de synthèse de matériaux aété choisie. En partant d’oxydes de Mn et de Co lamellaires, ceux-ci sont exfoliés pourobtenir des nanofeuillets de nature différente. S’ensuit une étape de réempilement pouraboutir à un matériau lamellaire alterné. L’analyse structurale et morphologique desmatériaux prouve que des nanocomposites très finement divisés sont obtenus. Lespropriétés électrochimiques obtenues pour ces nanocomposites s’avèrent meilleures quecelles des matériaux initiaux, tant en densité d’énergie qu’en puissance. Cette stratégieoriginale est prometteuse et ouvre la voie à des réempilements de différente nature,notamment le graphène. / The ever increasing demand of renewable energies imposes, due to theirintermittent nature, the development of performant energy storage devices. Supercapacitorsare reliable devices that offer a high power density and numerous investigations are focusingon increasing their energy densities. In particular, asymmetric "metal oxides / activatedcarbons" supercapacitors are possible candidates. The MnO2/carbon system is the mostinvestigated system, due to its capability to work in aqueous medium at potentials up to 2 V,as well as to the low cost and environmental friendliness of manganese. Nevertheless, thissystem suffers from the poor electronic conductivity of manganese. This work reports anoriginal strategy for novel electrode materials involving exfoliation and restacking processesof lamellar “building blocks”: lamellar manganese oxides for their pseudocapacitiveproperties and lamellar cobalt oxyhydroxides for their high electronic conductivity. Thematerial engineering strategy focuses on the exfoliation of the lamellar materials intooligolamellae. The obtained suspensions are then restacked through various strategies andnew well defined mixed oxides are obtained. After structural and morphologicalcharacterization, it is clear that these nanocomposites present an intimate mix of the twoinitial phases. The electrochemical responses are hereby enhanced, proving the intertwinedrelationship between structure, morphology and properties. Furthermore, this architecturalapproach of building novel electrode materials is original and efficient and can easily betransposed to other “building blocks”, including graphene.

Avec la demande toujours croissante d'énergie à laquelle l’homme fait face, le photovoltaïque (PV), qui convertit le rayonnement solaire en électricité, a connu ces dernières décennies un développement important. Bien que le marché PV actuel soit principalement dominé par les technologies à base de Si cristallin, la technologie PV à base de couches minces porte toujours l'espoir de contribuer efficacement à l'avenir vis-à-vis de la crise énergétique en raison de son coût beaucoup plus faible et d'une efficacité raisonnable.Les matériaux transparents conducteurs (TCM), principalement des oxydes conducteurs transparents (TCO), sont une composante essentielle dans la plupart des types de cellules solaires à couches minces car ils servent d'électrode de collecte des porteurs photo-générés sur la face avant de la cellule, c’est-à-dire celle face au soleil. Afin d'améliorer l'absorption optique (limitée par l'épaisseur de l'absorbeur) dans des cellules solaires à couches minces, on souhaite souvent que les TCO soient texturés (avec une rugosité de surface significative) de manière à bien diffuser la lumière, et ainsi de présenter des valeurs élevées de facteur de diffusion de la lumière. Ce dernier, que l’on peut appeler facteur de haze, est défini comme le rapport entre la transmittance (respectivement réflectance) diffuse et la transmittance (respectivement réflectance) totale. Plus ce facteur est élevé plus le TCO diffuse la lumière. Par voie de conséquence, la longueur du trajet optique est augmentée et ainsi le piégeage de la lumière dans la cellule solaire est amélioré, donnant lieu à une absorption de lumière plus importante dans les couches actives et augmentant potentiellement le rendement de conversion photovoltaïque des cellules solaires.Dans ce travail, des nano-composites innovants à base de SnO2 dopé au fluor (FTO) en combinaison avec les nanoparticules ZnO, S:TiO2 et Al2O3 ont été développés en utilisant un processus économique et facile constitué de deux étapes. Ces nano-composites à base de FTO présentent une transmittance totale de 70-80% et une résistance de 10-15 Ohm/sq, satisfaisant ainsi aux exigences requises pour des oxydes transparents conducteurs utilisés au sein de dispositifs photovoltaïques. En modifiant la concentration de la suspension de nanoparticules le facteur de haze de ces nano-composites peut être varié, de manière contrôlée, de presque 0% à 80%. Les propriétés morphologiques, structurales, électriques et optiques de ces nano-composites à base de FTO sont étudiées en détail et elles apparaissent étroitement dépendantes des nanoparticules sous-jacentes. Avant de discuter de l'intégration des nano-composites FTO au sein de cellules solaires, des efforts ont également été consacrés à une bonne compréhension de l'interface FTO/TiO2 qui est couramment présente au sein de divers types de cellules solaires à couches minces émergentes telles que les cellules solaires sensibilisées au colorant (DSSCs). Enfin, les nano-composites FTO diffusants ont été intégrés comme électrodes transparentes au sein de différents types de cellules solaires à couches minces et l'effet du facteur de haze sur la performance du dispositif a été étudié.En ajustant correctement le type et la concentration des nanoparticules sous-jacentes, les propriétés des nano-composites à base de FTO peuvent être variées de manière à répondre aux exigences d'électrodes pour une technologie photovoltaïque spécifique. Notre concept de préparation du TCO nano-composite en combinant les TCO et les nanoparticules propose une ligne directrice générale qui conduit à l’élaboration d’électrodes à caractère diffusant variable; permettant ainsi une bonne absorption des photons pour le photovoltaïque en couches minces. / With the increasing demand for energy that human beings are faced with, the photovoltaics (PV) technology which converts solar radiation into electricity has undergone increasingly development. Although the current PV market is mainly dominated by the crystalline Si based technologies, thin film PV still bears the hope to become the solution to the energy crisis in the future due to its much lower cost and reasonable efficiency.Transparent conductive materials (TCMs), mostly transparent conductive oxides (TCOs), are an essential component in most types of thin film solar cells as the current-collecting electrode on the sun-facing side of the cell. In order to improve the optical absorption (which is restricted by the limited absorber thickness) in thin film solar cells, the TCOs are often desired to be textured (with significant surface roughness) to show high values of haze factor. Haze factor is defined as the ratio of the diffuse transmittance/reflectance to the total transmittance/reflectance. The hazier a TCO is (i.e. with higher haze factor), the more light it scatters. As a consequence, the optical path length is increased and thus the light trapping in the solar cell is improved, giving rise to higher light absorption in the active layers and photon-to-current conversion efficiency of the solar cells.In this work, innovative nanocomposites of fluorine doped SnO2 (FTO) in combination with ZnO, S:TiO2 and Al2O3 nanoparticles have been developed using an economic and facile 2-step process. These FTO nanocomposites exhibit 70-80% total transmittance and 10-15 Ohm/sq sheet resistance, satisfying the basic requirements as transparent conductive oxides used in photovoltaics devices. By changing the nanoparticle suspension concentration, the haze factor of these nanocomposites can be varied, in a controlled way, from almost 0% up to 80%. The morphological, structural, electrical, and optical properties of these FTO nanocomposites are investigated in great details and are found to be closely related to the underlying nanoparticles. Before discussing the integration of the FTO nanocomposites into real solar cell devices, efforts have also been made to shed some light on the understanding of FTO/TiO2 interface commonly adopted in various types of emerging thin film solar cells such as dye sensitized solar cells (DSSCs). Finally, the hazy FTO nanocomposites have been used as transparent electrodes in different types of thin film solar cells and the effect of haze factor on the device performance has been examined.By properly tuning the type and concentration of the underlying nanoparticles, the properties of the FTO nanocomposites can be tuned to meet the electrode requirement for specific photovoltaic technology. Our concept of preparing TCO nanocomposite by combining TCOs and nanoparticles provides a general guideline to design hazy electrodes as light management structures in thin film photovoltaics.

Ce travail de thèse porte sur l’étude et le développement de matériaux adaptés pour la conversion et le stockage thermochimique de l’énergie solaire concentrée à haute température (400-1200°C), en utilisant des réactions solide-gaz réversibles. Ce type de stockage peut être associé aux centrales solaires thermodynamiques pour la génération d’électricité. Une étude bibliographique a permis d’identifier et de sélectionner les matériaux les plus adaptés possédant une densité d’énergie élevée pour le stockage thermochimique, suivant les critères de domaine de température et de non-toxicité requis. Les matériaux sélectionnés sont des oxydes métalliques (de Fe, Mn, Co, Cu), ainsi que des carbonates et des hydroxydes (de Ca, Sr, Ba). Les travaux ont porté ensuite sur les équilibres thermodynamiques des systèmes afin de prévoir les températures de transition et capacités de stockage théoriques. Une étude expérimentale a également été effectuée avec pour objectifs de déterminer précisément les niveaux de température, capacités de stockage en oxygène et enthalpies pour chaque réaction, et de démontrer leur réversibilité complète sur plusieurs cycles successifs. Des oxydes métalliques mixtes (systèmes binaires de Co-Cu, Co-Fe, Mn-Fe, Mn-Co, Mn-Cu) et des pérovskites substituées sur sites A et B ont été développés afin d’optimiser les propriétés redox des matériaux pour le stockage thermochimique. Concernant les carbonates et les hydroxydes de Ca, Sr, Ba, l’addition d’un agent stabilisant (MgO) a permis d’améliorer la stabilité des matériaux et la réversibilité des réactions au cours des cycles. Enfin, un nouveau réacteur thermochimique solaire, permettant la conversion en continu de particules réactives solides, a été validé expérimentalement et optimisé dans le cas de la décomposition de CaCO3 pour le stockage de l’énergie solaire. / This PhD thesis deals with the study and development of suitable materials for thermochemical conversion and storage of concentrated solar energy at high temperature (400-1200°C), by using reversible solid-gas reactions. This type of storage can be associated with solar thermal power plants. A bibliographic survey was performed to identify and select the most promising materials with a high energy storage density for thermochemical storage, based on different required criteria. The selected materials are metal oxides (of Fe, Mn, Co, Cu), carbonates and hydroxides (of Ca, Sr, Ba). The work then focused on the thermodynamic equilibria to determine the theoretical transition temperatures and energy storage capacities of the selected materials. An experimental study was carried out in order to determine the reaction temperatures, oxygen storage capacities and enthalpies for each reaction, and to demonstrate their complete reversibility upon cycling. Mixed metal oxides (binary systems of Mn-Fe, Co-Fe, Co-Cu, Mn-Cu, Mn-Co) and A- and B-site substituted perovskites were developed to optimize their thermochemical energy storage properties. Regarding carbonates and hydroxides of Ca, Sr, Ba, the addition of a stabilizing agent (MgO) allowed improving the materials cycling stability and reactions reversibility during successive cycles. Finally, a novel lab-scale solar reactor was experimentally tested in order to investigate the continuous decomposition of CaCO3 particles for thermochemical solar energy storage application.

Ces dernières décennies, l'urgence croissante de la crise énergétique et la prise de conscience qu'une grande partie de l'énergie utilisée dans le monde est dissipée sous forme de chaleur ont provoqué un engouement pour le développement de modules thermoélectriques performants. Ces dispositifs pourraient récupérer la chaleur provenant de procédés industriels ou d'autres sources, transformant un gradient de température en voltage grâce à l'effet Seebeck. Les matériaux thermoélectriques performants doivent posséder une faible conductivité thermique, une haute conductivité électrique et un grand coefficient Seebeck. L'optimisation simultanée de ces paramètres est un défi majeur pour la physique de la matière condensée et la science des matériaux. Dans l'optique d'améliorer les propriétés thermoélectriques de plusieurs matériaux prometteurs, nous explorons plusieurs stratégies dans lesquelles les défauts (substitutions atomiques, lacunes…), le désordre et le confinement dimensionnel jouent un rôle central. Nous réalisons des calculs en théorie de la fonctionnelle densité et des projections sur des orbitales de Wannier afin de construire des Hamiltoniens et des matrices dynamiques réalistes décrivant leur structure électronique et vibrationnelle dans l'espace réel. Ces paramètres sont ensuite utilisés pour calculer les propriétés de transport thermoélectrique en utilisant le formalisme de Kubo, l'équation de Boltzmann, le formalisme de Landauer et la méthode Chebyshev polynomial Green's function, qui permet un traitement exact du désordre. Nous étudions les propriétés de transport électronique et les performances thermoélectriques de deux matériaux prometteurs pour la production d'énergie à hautes températures, le titanate de strontium et l'oxyde de titane rutile. Nous obtenons un très bon accord entre nos prédictions et un grand nombre de données expérimentales. Nous montrons que l'augmentation du coefficient Seebeck observée dans les superlayers de titanate de strontium, jusque-là attribuée à des effets de confinement quantique, est en réalité très bien expliquée par l'hypothèse d'électrons délocalisés. Nous explorons les effets généraux des états résonant sur le transport électronique dans le cadre d'une étude modèle, et nous trouvons une augmentation d'un facteur six des performances thermoélectriques. Nous examinons ensuite le cas particulier du titanate de strontium, et nous montrons que les performances sont détruites par des effets de localisation si des atomes de Vanadium sont introduits comme impuretés résonantes. Nous étudions l'influence des défauts dans les matériaux bidimensionnels. Contrairement aux adatomes, nous montrons que les substitutions dans les dichalcogénures de métaux de transition ont pour effet de localiser les porteurs de charge. Nous étudions l'effet des lacunes sur le transport de phonons dans le graphène, et nous déterminons les taux de diffusion phonon-lacune. Nous obtenons un très bon accord entre notre théorie et des mesures de conductivité thermique dans des échantillons de graphène irradiés et de tailles finies / Over the past decades, the increasingly pressing need for clean energy sources and the realization that a huge proportion of the world energy consumption is wasted in heat have prompted great interest in developing efficient thermoelectric generation modules. These devices could harvest waste heat from industrial processes or other sources, turning a temperature gradient into a voltage through the Seebeck effect. Efficient thermoelectric materials should exhibit a low thermal conductivity, a high electrical conductivity and a high Seebeck coefficient. Simultaneously optimizing these parameters is a great challenge of condensed matter physics and materials science. With a view to enhance the thermoelectric properties of several promising materials, we explore several strategies in which defects (atomic substitutions, vacancies…), disorder and dimensional confinement play a crucial role. We perform density functional theory calculations and projections on Wannier orbitals to construct realistic Hamiltonians and dynamical matrices describing their electronic and vibrational structure in real space. These parameters are then used to compute the thermoelectric transport properties using the Kubo formalism, the Boltzmann transport equation, the Landauer formalism, and the Chebyshev polynomial Green's function method that allows for an exact treatment of disorder. We investigate the electronic transport properties and thermoelectric performances of two promising materials for high-temperature power generation, strontium titanate and rutile titanium dioxide. Comparison of our predictions with a wealth of experimental data yields a very good agreement. We show that the increase of the Seebeck coefficient observed in strontium titanate superlayers, until now attributed to quantum confinement effects, is in fact well explained assuming delocalized electrons. The general effects of resonant states on electronic transport are explored in a model study, showing a sixfold increase of the thermoelectric performances. The particular case of strontium titanate is then examined, and localization effects are shown to destroy the performances if Vanadium atoms are introduced as resonant impurities. The influence of defects in two-dimensional materials is investigated. Contrary to adatoms, substitutions in transition metal dichalcogenides are shown to localize the charge carriers. We study the effect of vacancies on phonon transport in graphene, and determine the phonon-vacancy scattering rate. Comparison with thermal conductivity data for irradiated and finite-size graphene samples yields a very good agreement between theory and experiments

Ce travail présente les études électrochimiques et structurales menées sur deux systèmes : P2/O3-NaxMn1-yFeyO2 et O’3-NaxNiO2 utilisés en tant que matériaux d’électrode positive pour batteries Na-ion.Concernant le système P2/O3-NaxMn1-yFeyO2, l’étude par diffraction des rayons X menée in situ pendantla charge de batteries a montré de nombreuses transitions structurales. Que leur structure soit de type P2ou O3, les matériaux présentent une phase distordue pour les taux d’intercalation (x) les plus élevés etune phase très peu ordonnée pour les taux d’intercalation les moins élevés. Entre ces deux étatsd’intercalation, les phases de type P2 présentent moins de transitions que les phases de type O3. Celaentraine de meilleures propriétés électrochimiques pour les phases de type P2 (meilleure capacité endécharge, meilleure rétention de capacité…). Les spectroscopies d’absorption des rayons X et Mössbauerdu 57Fe ont montré que les couples redox Mn4+/Mn3+ et Fe4+/Fe3+ sont impliqués lors du cyclage, à bas ethaut potentiel, respectivement.Concernant O’3-NaNiO2, la diffraction des rayons-X menée in situ pendant la charge de batteriesO’3-NaNiO2//Na a montré de nombreuses transitions structurales O’3 ↔ P’3 résultant du glissement desfeuillets MO2. Ces transitions s’accompagnent de mises en ordre Na+ - lacunes dans le matériau. La tailledes grains a montré avoir un intérêt majeur puisqu’elle influe sur le nombre de phases présentessimultanément dans le matériau. Lorsque la batterie est déchargée, la phase limitante Na≈0.8NiO2 estobservée et empêche le retour à O’3-NaNiO2 / This work concerns the electrochemical and structural studies carried out on two systems used aspositive electrode materials for Na-ion batteries: P2/O3-NaxMn1-yFeyO2 and O’3-NaxNiO2. Concerning theP2/O3-NaxMn1-yFeyO2 systems, in situ X-ray diffraction carried out during the charge of the batteriesshowed that both materials undergo several structural transitions. Both the P2 and O3 phases show adistorted phase for the higher intercalation rates (x) and a poorly ordered phase for the lower ones.Between these two states, P2-based materials exhibit less structural transitions than the O3-based ones.This is correlated to the better electrochemical properties the P2-based materials exhibit (better dischargecapacity, better capacity retention…). X-ray absorption and 57Fe Mössbauer spectroscopies showed thatthe Mn4+/Mn3+ and Fe4+/Fe3+ redox couples are active upon cycling, respectively at low and high voltage.Concerning O’3-NaNiO2, in situ X-ray diffraction carried out during the charge of O’3-NaNiO2//Nabatteries showed several structural transition between O’3 and P’3 structures, resulting from slab glidings.These transitions are accompanied by Na+ - vacancies ordering within the “NaO6” slabs. Upon discharge,the material does not come back to its initial state and, instead, the Na≈0.8NiO2 phase represents themaximum intercalated state. The occurrence of this limiting phase prevents O’3-NaNiO2 to be consideredas an interesting material for real Na-ion applications.

Cette thèse est dédiée à l’élaboration de couches minces d'oxydes de tungstène par pulvérisation cathodique réactive. Afin de jouer sur la composition des films, le procédé de pulsation du gaz réactif (RGPP) est mis en œuvre pour changer les concentrations en oxygène et en tungstène. En parallèle, la technique de dépôt sous incidence oblique (GLAD) est développée pour produire différentes architectures, à savoir des colonnes inclinées, des zigzags ou encore des spirales, et augmenter le rapport surface-volume dans les films. La co-pulvérisation GLAD est également étudiée en utilisant deux cibles inclinées et séparées de W et WO3. Les relations entre la microstructure, la composition, les propriétés électroniques et optiques des films d'oxydes de tungstène sont systématiquement étudiées. Ils sont finalement appliqués comme couches actives pour des capteurs résistifs afin d'améliorer la détection de vapeur de dodécane et d'ozone gazeux. La microstructure poreuse élevée des colonnes inclinées produite par GLAD combinée à une composition ajustée par RGPP conduit à définir une gamme de films d'oxydes de tungstène attractifs pour améliorer les performances capteurs. / This thesis is focused on the reactive sputter deposition of W-O thin films. In order to play with their composition, the Reactive Gas Pulsing Process (RGPP) is implemented and allows tunable oxygen and tungsten concentrations. Similarly, the GLancing Angle Deposition (GLAD) technique is developed to produce various architectures, namely inclined columns, zigzags and spirals, and increases the surface-to-volume ratio of the films. The GLAD co-sputtering approach is also investigated by means of two inclined and separated W and WO3 targets. Relationships between microstructure, composition, electronic and optical properties of W-O films are systematically studied. They are finally applied as active layers for resistive sensors in order to improve detection of dodecane vapor and ozone gas. The high porous microstructure of inclined columns produced by GLAD combined to the suitable composition adjusted by RGPP leads to define a range of W-O films attractive for sensing performances.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation d’un nouveau modulateur électro-optique pouvant s’intégrer sur un substrat SOI. Le modulateur proposé utilise une structure dite à fente ou SLOT formée verticalement par la couche superficielle de silicium du matériau SOI sur laquelle on dépose la couche de BTO puis une couche de silicium amorphe. Le confinement latéral dans ce guide de lumière est réalisé par gravure de la couche de silicium amorphe supérieure. La géométrie du ruban de silicium amorphe est optimisée pour obtenir un mode SLOT en polarisation TM (Transverse Magnétique) pour lequel la quasi-totalité de l’énergie lumineuse est confinée dans la couche active de BTO, ce qui permet d’augmenter l’efficacité du modulateur par rapport à une structure conventionnelle. La conception d’un tel modulateur a nécessité l’élaboration d’un outil numérique multi-physique lors de ce travail de thèse afin de prendre en compte rigoureusement les propriétés d’anisotropie des matériaux ferroélectriques, rarement disponibles dans les logiciels de simulation photonique commerciaux. Plus précisément, nous combinons un solveur de mode optique FVFD avec un solveur radiofréquence de Laplace. Il permet des calculs précis de la modulation d'indice de réfraction et de la réponse électro-optique induite par l’effet Pockels des matériaux anisotropes qui présentent une variation non-diagonale du tenseur de permittivité. L’optimisation du modulateur est réalisée, tant du point de vue optique qu’électrique en radiofréquence. Notamment, pour obtenir un modulateur rapide, il est nécessaire de concevoir une électrode qui possède une onde radiofréquence de même constante de propagation que le mode SLOT optique. Le travail de thèse est aussi consacré à la conception des briques de bases d’optique intégrée passive nécessaires à la réalisation des modulateurs: guides droits, diviseurs de faisceaux de type MMI (MultiMode Interference), de virages et de coupleurs directionnels. Un solveur de mode en coordonnées cylindriques a permis de concevoir des virages à très faibles rayons de courbure de 3,6 µm avec des pertes de radiation inférieures à 0.1 dB/90°. Étonnamment, pour des guides en arête, la réduction du rayon de courbure d’un virage n’implique pas forcément une augmentation des pertes de radiation et conduit à une amélioration des performances du dispositif. Ce résultat est très important parce que le virage est la brique de base qui est la plus difficile à miniaturiser en optique intégrée. Actuellement, les rayons de courbures sont limités à 15 µm dans les technologies utilisant les guides en arête. Ce résultat validé expérimentalement, montre qu’il est possible d’obtenir une densité d’intégration 4 à 5 fois plus importante sans modification de la technologie de fabrication. Le deuxième résultat innovant pour la photonique sur silicium porte sur l’obtention de diviseurs de faisceaux très compacts et insensibles à la polarisation (2.0 x 3.6 µm²). / The aim of this thesis is to explore a new electro-optic modulator which could be integrated on SOI substrate. The ferroelectric material BaTiO3 (BTO) is potentially the most interesting because it has highest linear electro-optic coefficient among perovskite materials, and its monolithic integration on a SOI substrate as a crystalline thin film was demonstrated in INL. The proposed modulator uses a structure SLOT formed vertically through the silicon layer of the SOI on which is deposited the layer of BTO then an amorphous silicon layer. The lateral confinement in the light guiding is formed by etching of the upper amorphous silicon layer. The geometry of the strip-loaded amorphous silicon is optimized to obtain a SLOT TM (Transverse Magnetic) polarization mode in which substantially all of the light energy is confined in the active layer of BTO, thereby increasing the efficiency of modulator with respect to a conventional structure. The design of such a modulator requirs the development of a multi-physics numerical tool to consider carefully anisotropic properties of ferroelectric materials, rarely available in commercial photonics simulation softwares. Specifically, we combine a FVFD optical mode solver with a radiofrequency Laplace solver. It allows precise calculation of the modulation of refractive index and the electro-optical response induced by Pockels effect of anisotropic materials exhibiting non-diagonal change in the permittivity tensor. The optimization of the modulator is carried out, from both aspects optical and electrical in radiofrequency. In particular, to obtain a rapid modulator, it is necessary to design a radiofrequency electrode that has a same wave propagation constant of optical SLOT mode. The thesis is as well devoted to the design of passive building blocks in integrated optics, which are necessary for the implementation of modulators: straight waveguides, beam splitters of type MMI (MultiMode Interference), turns and directional couplers. A cylindrical coordinate’s mode solver realizes the design of turns of very low bending radii of 3.6 microns with radiation losses less than 0.1dB/90°. Surprisingly, for strip-loaded guides, reducing the cornering radius of turns does not necessarily imply an increase in losses of radiation, and so leading to improved device performance. This result is very important because the turns is a basic building block the most difficult to be miniaturized in integrated optics. Currently, the radii of curvature are limited to 15 microns in waveguide technology. The experimental validation shows that it is possible to obtain a 4-5 times larger integration density without changing the manufacturing technology. The second result for innovative silicon photonics is about obtaining very compact and polarization insensitive beam splitters (2.0 x 3.6 μm²).

Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage électrochimique de l’énergie très intéressants lorsque des pics de puissance sont mis en jeu. Toutefois, leur densité d’énergie volumique est la principale limite pour leur intégration, en particulier, dans des systèmes de transport terrestre. L’utilisation de matériaux d’électrode ayant un comportement pseudocapacitif et des masses volumiques élevées permettrait d’améliorer la densité d’énergie volumique des supercondensateurs. Avec cet objectif, des dispositifs à base des matériaux de la famille Ba0,5Sr0,5CoxFe1-xO3-δ, nommés BSCFs, ont été développés dans le cadre de cette thèse. Plusieurs compositions de cette famille d’oxydes ont été préparées par un procédé glycine-nitrate et ont été testés comme matériau actif d’électrode positive en milieu aqueux neutre. La capacité volumique de ces matériaux s’avère être beaucoup plus élevée que celle des carbones activés utilisés dans les supercondensateurs commerciaux. Elle a montré également dépendre de la composition en cobalt et en fer, du régime de charge, de la nature de l’électrolyte… Le mécanisme de stockage de charges dans ces matériaux a été exploré grâce à des techniques in situ (absorption des rayons X) et operando (diffraction des rayons X) effectuées aux synchrotrons SOLEIL (France) et SPring-8 (Japon). Enfin, des dispositifs associant une électrode positive à base de BSCF et du carbone activé ou FeWO4 en tant qu’électrode négative ont démontré l’intérêt d’intégrer de tels matériaux pour améliorer la densité d’énergie volumique des supercondensateurs. / Supercapacitors are attractive electrochemical energy storage devices for high power applications. However, volumetric energy density is the main limitation for their integration in such applications as terrestrial transport systems. The use of high density pseudocapacitive oxides as electrode material could lead to a volumetric energy density improvement. With this aim, materials from Ba0,5Sr0,5CoxFe1-xO3-δ family, so called BSCFs, have been studied. Several compositions have been prepared and evaluated as positive electrode materials in aqueous neutral electrolyte. Volumetric capacitances have shown to be greater than those of activated carbons, already used in marketed supercapacitors. They have also shown to depend on cobalt and iron ratio, charge rate, electrolyte composition... The study of the charge storage mechanism in these materials has been investigated thanks to in situ (X-Ray absroption spectroscopy) and operando (X-Ray diffraction) technics performed at SOLEIL (France) and SPring-8 (Japan) synchrotron facilities. Finally, devices coupling BSCF based positive electrode material with activated carbon or FeWO4 based negative electrode materials have demonstrated the added value of such materials to improve the volumetric energy density of supercapacitors.

Les Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL) présentent de nombreux domaines d'application en rapport avec leur structure lamellaire et la diversité de leur de composition. Ce travail souligne les potentialités des HDL lorsqu'ils sont utilisés comme précurseurs d'oxydes mixtes pouvant intervenir en catalyse hétérogène acido-basique ou d'oxydo-réduction.<br />La première partie du mémoire concerne l'étude d'une série d'oxydes à base de nickel, cuivre, magnésium et aluminium, obtenus par calcination des HDL précurseurs à 450°C. La caractérisation structurale et l'étude de l'acido-basicité des oxydes mixtes en fonction de leur composition ont été réalisées. Elles s'appuient sur l'utilisation complémentaire de différentes méthodes analytiques physico-chimiques donnant accès à des informations concernant à la fois la structure, la composition et la morphologie des cristaux obtenus(DRX, ATG, analyse chimique, SPX...), ou permettant la caractérisation de leurs propriétés acido-basiques (adsorption de molécules sondes suivie par microcalorimétrie et SPX).<br />La seconde partie du travail est consacrée à l'utilisation des oxydes mixtes obtenus après calcination à 800°C pour la synthèse de nanofilaments de carbone à partir de la décomposition catalytique du méthane. Après une étude détaillée des oxydes mixtes, les nanofilaments produits ont été caractérisés à l'aide de différentes techniques, notamment la microscopie électronique à transmission. Les données physico-chimiques obtenues ont mis en évidence les relations entre les caractéristiques du catalyseur (composition, mode de synthèse, propriétés...) et le type des nanofilaments (tubes, fibres) obtenus.

Le développement de piles à combustibles capables de fonctionner à des températures intermédiaires de l'ordre de 400-600°C présente un grand intérêt tant du point de vue du vieillissement des matériaux que des différents éléments du système complet. Une des technologies envisagées est basée sur l'utilisation d'électrolyte céramique possédant une conduction protonique élevée (Protonic Ceramic Fuel Cell PCFC). A ce jour, un des problèmes principaux concerne les fortes surtensions observées au niveau de la cathode lors du passage d'un courant.<br>Dans ce cadre, le but de nos recherche a été de concevoir de nouveaux matériaux de cathode pour pile PCFC présentant de bonnes propriétés de conduction mixte ionique et électronique ainsi qu'une activité catalytique élevée vis-à-vis de la réaction de réduction de l'oxygène, entre 400 et 600°C. Plusieurs matériaux à conduction mixte ont été synthétisés à l'ICMCB, notamment des perovskites et des oxydes de structure de type Ruddlesden-Popper (en particulier les oxydes A2MO4+). Des analyses thermogravimétriques ont été réalisées pour étudier la stabilité de ces phases sous air humide, ainsi qu'une éventuelle insertion d'eau dans la structure. Des demi-cellules symétriques ont été élaborées pour les caractérisations éléctrochimiques par spectroscopie d'impédance complexe et voltampérométrie (mesures de résistances spécifiques de surface, courbes de polarisation cathodique).<br>Les caractérisations physico-chimiques et électrochimiques ont permit de sélectionner les meilleurs composés et ont conduit à la réalisation de la première monocellule PCFC utilisant le matériau de cathode Pr2NiO4+. Des densités de puissance de 100 mW/cm² ont été mesurées pour une température de fonctionnement de 600°C.