En premier lieu, des couches minces épitaxiales ont été obtenues sur des substrats de silicium grâce à l’utilisation de l’épitaxie par jets moléculaire et de couches tampons de titanate de strontium SrTiO3. Une technique de croissance par co-déposition a été développée de manière à obtenir un rapport Ba:Ti proche de la stoechiométrie, et ce afin d’éviter la formation de défauts cristallins dans la couche de BaTiO3. Le matériau déposé cristallise dans une structure de symétrie quadratique, ce qui est unpré-requis pour l’obtention de propriétés électro-optiques. De plus, selon les conditions de croissance, l’axe c de la maille élémentaire quadratique a pu être ajusté de manière à être aligné parallèlement ou perpendiculairement à la surface du substrat. L’utilisation d’une mince couche tampon de nucléation a également permis de croitre des films mincesBaTiO3 épitaxiées par pulvérisation, technique largement répandue en milieu industriel.Un coefficient de Pockels élevé a par la suite été obtenu sur de tellescouches épitaxiées. La valeur mesurée de 148pmV est clairement supérieure aux valeurs admises dans la littérature pour d’autres matériaux nonlinéairestels que le niobate de lithium, pour lequel un coefficient de31pmV est rapporté. La méthode de caractérisation électro-optique développée à cette occasion révèle également le caractère ferroélectrique des couches de BaTiO3, observé pour la première fois dans de tels matériaux épitaxiés sur silicium.Finalement, ces couches minces électro-optiquement actives ont été intégrées dans des dispositifs photoniques sur silicium. Dans cette optique,une structure de guide d’onde à fente a été utilisée en insérant 50nm deBaTiO3 entre deux couches de silicium. Dans ce type de structure, le confine mentoptique est 5 fois supérieur à celui obtenu pour des guides d’onde en silicium avec une gaine à base de BaTiO3. Des guides d’ondes rectilignesont tout d’abord été fabriqués, pour lesquels des pertes optiques del’ordre de 50−100 dB/cm ont été mesurées. Par la suite, des composants passifs fonctionnels ont été fabriqués, tels que des interféromètres typeMach-Zehnder, des résonateurs circulaires et des coupleurs. Finalement,la fonctionnalité de composants actifs a été démontrée pour la première fois, en se basant notamment sur des résonateurs ayant un facteur de qualité Q d’environ 5000, et pour lequel la résonance varie en fonction du champ électrique transverse. L’origine physique de cette variation n’a cependant pas pu être expliquée sur la seule base de l’effet Pockels. Cette thèse démontre que l’utilisation de nouveaux matériaux électro optiquement actifs au coeur de dispositifs photoniques sur silicium créede nouvelles opportunités pour la conception et l’ingénierie de circuitsphotoniques. L’intégration d’oxydes tels que barium titanate permet d’envisager de nouveaux concepts de dispositifs pour ajuster, moduler ou commuter la lumière au sein de circuits photoniques denses. De nouveaux défis et perspectives s’ouvrent également aux scientifiques pour modifier artificiellement les propriétés électro-optiques de ces matériaux, que ce soit par contrainte, dopage ou par l’ingénierie de multicouches. De telles avancées pourront sans aucun doute fortement améliorer les performances des dispositifs. / A novel concept of utilizing electro-optical active oxides in silicon photonic devices is developed and realized in the frame of this thesis. The integration of such oxides extends the silicon photonics platform by non-linear materials, which can be used for ultra-fast switching or low-power tuning applications. Barium titanate is used as active material as it shows one of the strongest Pockels coefficients among all oxides. Three major goals are achieved throughout this work: First, thin films of BaTiO3 are epitaxially grown on silicon substrates via molecular beam epitaxy (MBE) using thin SrTiO3 buffer layers. A shuttered co-deposition growth technique is developed in order to minimize the formation of defects in the BaTiO3 films by achieving a 1:1 stoichiometry between barium and titanium. The layers show a tetragonal symmetry and are therefore well-suited for electro-optical applications. The orientation of the long c -axis of the BaTiO3 crystal can be tuned to point perpendicular or parallel to the film surface, depending on the growth conditions. In addition, thin MBE-grown seed layers are combined with rf-sputter deposition. With this hybrid growth approach, rather thick ( > 100 nm), epitaxial BaTiO3 layers on silicon substrates are obtained with a commercially available, wide spread deposition technique. As a second goal, a strong Pockels coefficient of reff = 148 pm/V is determined in the epitaxial BaTiO3 films. This first experimental result on the electro-optical activity of BaTiO3 layers on silicon shows a clear enhancement compared to alternative non-linear materials such as lithium niobate with reff = 31 pm/V. By means of the electro-optical characterization method, also the presence of ferroelectricity in the films is demonstrated. Third, the electro-optical active BaTiO3 layers are embedded into silicon photonic devices. For this purpose, a horizontal slot-waveguide structure with a ~50 nm-thick BaTiO3 film sandwiched between two silicon layers is designed. With this design, the optical confinement in the active BaTiO3 layer is enhanced by a factor of 5 compared to Si-waveguide structures with a standard cross section and BaTiO3 as cladding. Straight BaTiO3 slot-waveguides with propagation losses of 50 − 100 dB/cm as well as functional passive devices such as Mach-Zehnder-interferometers, couplers, and ring resonators are experimentally realized. Additionally, first active ring resonators with Q-factors of Q~5000 are fabricated. The physical origin of the observed resonance shift as a function of the applied bias voltage, however, can not be conclusively clarified in the present work. The combination of high-quality, functional BaTiO3 layers with silicon photonic devices as demonstrated in this thesis offers new opportunities by extending the design palette for engineering photonic circuits with the class of electro-opticalactive materials. The integration of oxides such as BaTiO3 enables novel device concepts for tuning, switching, and modulating light in extremely dense photonic circuits. The integration also opens exciting challenges for material scientists to tailor the electro-optical properties of those oxides by strain engineering or fabrication of superlattice structures, which could ultimately lead to another boost of their electro-optical properties.

Ce travail a porté sur la synthèse et caractérisations structurales, optiques et électriques des films d’oxyde d'étain (SnOx) dopés avec des éléments de terres rares (RE: Néodyme, Praséodyme ou Ytterbium). L’objectif est de démontrer la conversion de photons UV voire Visible en photons rouges via ces films RE :SnOx, tout en conservant leurs propriétés d’oxydes transparents conducteurs. Les films ont été produits par des méthodes chimiques (sol-gel, précipitation) ou physiques (pulvérisation cathodique). Grâce à des analyses fines, nous avons pu corréler les propriétés structurales et de composition des couches RE :SnOx avec leurs propriétés d’émission de photons. Nous avons pu établir les conditions optimales de conversion photonique dans des systèmes à une seule ou double terre rare. Les mécanismes régissant le transfert dans ces films ont été avancés. Enfin, nous avons appliqué ces couches minces RE :SnOx optimisés sur des cellules solaires en silicium et en CIGS et nous avons montré une amélioration des paramètres photovoltaïques du dispositif ainsi qu’un net gain dans la réponse spectrale de la cellule dans l’UV. / Spectral conversion using lanthanide doped materials with excellent performances is a great challenging topic and of particular interest for photovoltaic. This work aims at functionalizing transparent conductive oxide materials with rare earth elements for photons conversion purpose without affecting transparency and transport properties of the TCO. The spectral conversion targeted in this thesis is of type “down”, in other words, we aim at converting high energy UV photons into low energy visible or NIR photons useful to solar cells. For this purpose we investigated the doping process of SnO2 as a host material with different rare earths such as Nd, Tb, Pr, and Yb. To understand the insertion process and the optical activation of the rare earth, RE-doped SnO2 nanoparticles (powders) have been synthesised by two chemical methods: co-precipitation and sol-gel. The results have shown an efficient insertion of the RE into the SnO2 structure with excellent emission properties. In view of application of RE-doped SnOx thin films to solar cells, studies concerning NIR emitting RE have been conducted (Nd, Yb, and co-doping with Yb and Nd) using sputtering. Several deposition parameters and post deposition treatments have been done in order to find the best chemical environment favourable to the RE emission. We have precisely identified the region of the UV light converted into NIR photons and proposed several energy transfer mechanisms occurring between the host SnOx and the REs. In case of co-doping, a second spectral conversion process has been identified; visible photons can be efficiently converted into NIR photons through energy transfer from Nd3+ to Yb3+ ions. Finally, application of these conversion layers to solar cells such as CIGS and Si based have shown an improvement of the cells characteristics, among others the Field factor, the cell efficiency and the increase of the spectral response of the cell in the UV region, thanks to the conversion of the UV photons into NIR photons. The good electrical properties of the RE-doped SnOx layers have been highlighted as well. We believe that these conversion layers will provide a step ahead towards better solar cells performances.

L’objectif principal de cette thèse est de proposer une analyse des spécificités de la transduction microonde dans le cadre d’une application capteur d’ammoniac. Les deux spécificités principales sont la caractérisation large bande (1 et 8 GHz) et les matériaux sensibles (diélectriques). Cette méthode de transduction repose sur l’interaction entre un gaz polluant et un matériau sensible déposé à la surface d’une structure propagative spécifique aux microondes. La réponse du capteur n’est pas directement induite par les propriétés diélectriques de la molécule gazeuse, mais plutôt par celles de l’espèce cible adsorbée à la surface du matériau sensible. Cette adsorption provoque une modification des paramètres du capteur mesurés par un analyseur de réseau vectoriel. Contrairement à des transductions conventionnelles comme la conductimétrie, ce principe fonctionne à température ambiante avec tout type de matériau, y compris les isolants électriques.Les premiers travaux réalisés durant cette thèse ont conduit au développement d’un nouveau banc expérimental. Il est spécifiquement adapté à l’étude de capteurs microondes par mesures des coefficients de réflexion et de transmission. Ce développement comprend la conception de deux nouvelles générations de capteurs, recouverts d’oxydes métalliques (fer ou titane) commerciaux ou synthétisés dans le cadre de l’étude. Le premier capteur comporte des circuits interdigités tandis que le second est un résonateur trapézoïdal. Ce dernier est caractérisé par une série de fréquences d’intérêt distribuées régulièrement entre 1 et 8 GHz. L’association d’un spectromètre de masse au banc de mesure a permis de suivre les adsorptions/désorptions de l’espèce cible qui est l’ammoniac (10-100 ppm), mais également le comportement du gaz vecteur utilisé, l’argon, et de l’eau adsorbée initialement sur le matériau sensible ou volontairement ajoutée en cours de l’expérience. L’objectif est d’étudier le rôle de l’eau comme interférent vis-à-vis de la détection de l’ammoniac. Une troisième molécule d’intérêt, l’éthanol, a été également été utilisée durant les expériences afin d’estimer de potentielles différences de comportement entre les molécules détectées. Les résultats expérimentaux ont été exploités au moyen de protocoles de traitement de données spécifiquement établis durant cette thèse. Des traitements temporels ont été conduits afin d’étudier le comportement cinétique du capteur, tandis que des traitements spectraux ont permis d’appréhender l’aspect large bande de la réponse du capteur en présence de polluants.Le premier résultat majeur est l’augmentation significative de la sensibilité à l’ammoniac, qui a permis d’abaisser le seuil de détection à des concentrations d’ammoniac de l’ordre de 10 ppm. Le dioxyde de titane a été identifié comme un bon candidat pour la détection d’ammoniac, avec des variations de coefficient de réflexion allant jusqu’à 6 dB pour 300 ppm d’ammoniac. Le rôle de l’eau initialement adsorbée sur le matériau sensible a été élucidé, montrant que son influence n’est significative que lors des premières minutes des expérimentations. Ainsi, il est possible de détecter l’ammoniac en présence d’humidité. Les processus liés aux expositions aux flux gazeux et particulièrement au gaz vecteur ont été identifiés et ont confirmé que la réponse du capteur était uniquement due à son interaction avec les molécules cibles. Un autre résultat majeur est la définition des conditions opératoires nécessaires à l’établissement de la sélectivité. Notre analyse théorique a clairement démontré l’intérêt des mesures large bande en termes de discrimination de molécules cibles. Cette analyse a été testée dans le cadre d’expériences multicibles utilisant l’ammoniac, l’eau et l’éthanol. Ces observations ont permis d’établir un cahier des charges d’une nouvelle génération de capteurs microondes, garantissant une discrimination systématique entre ces trois molécules. / The main objective of this thesis is to propose an analysis of the microwave transduction specificities in the framework of ammonia sensing applications. The two main features of this transduction are its broadband characterization (1 to 8 GHz) as well as its sensitive materials (dielectrics). This transduction method is based on the interaction between a polluting gas and a sensitive material deposited on the surface of a microwave-specific propagating structure. The response of the sensor is not directly induced by the dielectric properties of the gaseous target molecule, but rather by those of the target species adsorbed on the surface of the sensitive material. This adsorption causes a modification of the sensor parameters measured by a vector network analyzer. Unlike more conventional transducers such as conductimetry, this principle works at room temperature with any type of material, including electrical insulators.The first work carried out during this thesis led to the development of a new experimental bench adapted specifically for the study of microwave gas sensors by measuring the S-parameters in reflection and transmission modes. This development includes the design of two new generations of sensors, coated with metal oxides (iron or titanium oxides) commercially available or synthesized during the study. The first sensor comprises interdigital circuits while the second sensor is a trapezoidal resonator. The latter is characterized by a series of frequencies of interest regularly distributed between 1 and 8 GHz. The association of a mass spectrometer with the measurement bench allowed to follow the adsorption and desorption behavior of the target species which is ammonia (10-100 ppm), but also the behavior of the vector gas conventionally used, argon, and water initially adsorbed on the sensitive material or intentionally added during the experiment. The objective is to study the role of water as interfering with the detection of ammonia, the main target species. A third molecule of interest, ethanol, was also used during the experiments in order to estimate the possible differences in the detected molecules behaviors. The experimental results were exploited using specific data processing protocols established during this thesis. Temporal treatments were carried out to study the kinetic behavior of the sensor, while spectral treatments allowed to apprehend the broadband aspect of the sensor response in the presence of pollutants.The first major result is the significant increase in sensitivity to ammonia, which significantly lowered the detection threshold to ammonia concentrations in the 10 ppm range. Titanium dioxide has been identified as a good candidate for ammonia detection, with reflection coefficient variations up to 6 dB for 300 ppm. The role of the water initially adsorbed on the sensitive material has been elucidated, showing that its influence is significant only during the first few minutes of the experiments. Thus, it is possible to detect ammonia in the presence of residual moisture. The processes induced by the gaseous exposures and particularly by the carrier gas were identified, and confirmed that the sensor response was solely due to its interaction with the target molecules. Another major result is the definition of the operating conditions that are necessary for the establishment of the selectivity. Our theoretical analysis clearly demonstrated the interest of broadband measurements in terms of discrimination of target molecules. This analysis has been tested in multitarget experiments using ammonia, water and ethanol. These observations allowed to establish the specifications of a new generation of microwave sensors, guaranteeing systematic discrimination between these three molecules.

Les concepts de matériaux multiferroïques et/ou magnétoélectriques permettent d’envisager de nouveaux dispositifs de mémoires plus performants et moins consommateurs d’énergie. Malheureusement de tels matériaux présentant ces propriétés à température ambiante ne sont pour l’instant pas disponibles. Les matériaux qui font l’objet des études présentées dans ce manuscrit, les ferrites de gallium Ga2-xFexO3, 0,7 ≤ x ≤ 1,4, sont d’excellents candidats. Le présent travail de thèse en a étudié les propriétés électriques, tant sur matériaux massifs que couches minces. Nous avons mesuré une polarisation sur composés massifs du même ordre de grandeur que celle précédemment déterminée par calculs ab initio. Une considérable réduction des courants de fuite habituellement observés en couches minces a été possible grâce à la substitution de Fe2+ par Mg2+. Une polarisation réversible et un effet magnétoélectrique ont alors pu être mis en évidence. Compte tenu du caractère ferrimagnétique à température ambiante des couches minces considérées, ceci constitue la première manifestation d’un matériau multiferroïque et magnétoélectrique à réel intérêt applicatif. / Concepts of multiferroic and magnetoelectric materials allow designing new memory devices with better performances and less energy consumption. Unfortunately, such materials with room temperature applicability are not yet available.The material concerned by this study, gallium ferrites Ga2-xFexO3, 0.7 ≤ x ≤ 1.4, are excellent candidates for such applications. This work aimed at studying the electrical properties of the bulk material, as well as in thin films. We have measured a polarization on the bulk samples comparable to the value estimated by first principle calculations. A considerable reduction of the leakage currents usually observed in oxide thin films has been achieved by the doping by substitution of Fe2+ in the structure, using Mg2+. A switchable polarization and a magnetoelectric effect at room temperature in thin films have been observed. Considering the room temperature ferrimagnetic behavior of this compound, this is the first manifestation of a multiferroic and magnetoelectric with real potential and technological applications.

Améliorer la production en hydrogène dans les procédés de conversion des ressources renouvelables telles que la biomasse est un réel challenge dans le contexte de la production d’énergie propre et efficace. En effet, dans le procédé de conversion de la biomasse par vapogazéification, l’hydrogène est produit avec de quantités importantes de CO2, de CH4 et des molécules aromatiques lourdes, toxiques et complexes appelées goudrons. Ce travail s’intéresse à la production d’hydrogène par vaporeformage des goudrons avec capture in-situ de CO2 dans les procédés de vapogazéification de la biomasse. Nous proposons un système catalytique bifonctionnel de type Fe/CaO-Ca12Al14O33 dans lequel le fer est actif pour la production d’H2 tandis que la phase absorbante CaO-Ca12Al14O33 capture le CO2, ces deux processus se font simultanément dans un réacteur à lit fixe. Ce travail a permis de développer un système de type CaOCa12Al14O33/ olivine adapté pour la gazéification de la biomasse « Miscanthus » dans un réacteur à lit fluidisé. / Improve the hydrogen production from the conversion of renewable resources such as biomass is a real challenge in the context of the production of clean and efficient energy. In fact, during the biomass steam gasification, hydrogen is produced with significant amounts of CO2, CH4 and heavy, toxic and complex aromatic molecules called tars. This work focuses on the production of hydrogen by steam reforming of tar with in-situ CO2 capture. We propose a catalytic bi-functional material Fe/CaO-Ca12Al14O33 where iron favors the H2 production and simultaneously the CaO-Ca12Al14O33 capture CO2 in a fixed bed reactor. This work led also to the development of a CaOCa12Al14O33/ olivine system adapted for biomass gasification "Miscanthus" in a fluidized bed reactor.

Durant ce travail de thèse, d’importants paramètres concernant la synthèse de matériaux catalytiques nanostructurés à base de manganèse et d’oxydes de cobalt ont été établis. La corrélation entre les propriétés structurales du catalyseur et l’activité catalytique, ainsi que le mécanisme d’oxydation du CO ont été analysé au moyen d’une grande variété de méthodes expérimentales physico-chimiques.<p>De l’oxyde de manganèse non-stœchiométrique (MnOx) a été préparé par décomposition spinodale d’oxalate de manganèse trihydraté en ayant recours à la technique d’oxydation programmée en température (TPO). Tant l’analyse quantitative relatives à ces données TPO que les résultats obtenus par spectroscopie de structure au front d’absorption des rayons X (XANES), ainsi que par spectroscopie des photoélectrons X (XPS) ont permis d’estimer la stœchiométrie de l’oxyde avec un x situé entre 1.61 et 1.67. En accord avec à la fois la surface spécifique élevée et la combinaison d’isothermes d’adsorption/désorption de type I et IV, la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) démontre la présence de micro-bâtonnets caractéristiques et « imbriqués » les uns dans les autres, accompagné de particules nanocristalline à l’extrémité de ces bâtonnets.<p>Les découvertes faites par spectroscopie infra-rouge de réflexion diffuse par transformée de Fourier (DRIFTS), par études isotopiques et cinétiques suggère que l’adsorption des deux molécules, CO et O2, est suivie par leur réaction en surface via des intermédiaires de type carbonate/formate, pour finalement produire du CO2. Nous supposons un mécanisme de type Mars-van Krevelen où l’oxygène appartenant à la structure de type MnOx prend part dans l’oxydation catalytique du CO à basse température. Cependant, ces espèces mobiles d’oxygènes ne faisaient pas partie du cœur de phase du réseau d’oxyde, et de ce fait, ont été capables de « sauter » sur la surface et approvisionner les espèces oxygénées nécessaires à l’oxydation du CO déjà adsorbé.<p>Une structure spinelle d’oxyde de cobalt Co3O4 dans lequel le cobalt présente deux états de valence (+2 et +3) a été choisie pour élucider l’effet de la taille des particules sur l’activité lors de la réaction d’oxydation du CO. Tout d’abord, des nanoparticules monodispersées de cobalt métallique présentant une déviation standard en taille inférieure à 8% ont été synthétisées à partir de carbonyle de cobalt (Co2(CO)8) par une méthode optimisée «d’injection chaude». Un contrôle de la taille des nanoparticules dans la gamme 3 à 11 nm a pu être obtenu en variant la température d’injection du carbonyle de cobalt dans une solution de dichlorobenzène et d’acide oléique. La microscopie électronique à transmission (TEM) nous montre que ces particules de cobalt sont quasiment hémisphériques. Ensuite, de la silice poreuse (de type MCF-17) a été imprégnée par des nanoparticules de cobalt, et ensuite activée par TPO menant à des nanoparticules d’oxyde de cobalt. Des études par diffraction des rayons X (XRD) et spectroscopie des photoélectrons X (XPS) ont démontré la structure spinelle Co3O4. Finalement, l’activité des catalyseurs obtenus vis-à-vis de l’oxydation du monoxyde de carbone fut mesurée à 423 K et ce en fonction de la taille des particules. Les particules de Co3O4 présentant une taille allant de 5 à 8 nm se sont révélées les plus actives. Ceci peut s’expliquer par une plus grande mobilité des atomes d’oxygène en surface des nanoparticules d’oxyde de cobalt.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Au cours de ce projet de thèse, les phénomènes de transfert des ions à l'interface électrode à base d'oxydes de métaux/électrolyte ont été étudiés d'une manière approfondie. Cela peut grandement conditionner les performances des dispositifs de type supercondensateur. Il est alors essentiel d'étudier l'influence de la composition de l'électrolyte, d'identifier les ions transférés et les effets de solvatation sur ces mécanismes de transfert ionique. En conséquence, nous avons décidé de mettre l'accent sur les capacités d'une méthodologie non-classique, l'ac-électrogravimétrie, basée sur des microbalances à quartz rapides couplées avec des mesures d'impédance électrochimique pour investiguer finement ces phénomènes d'interface. Un autre aspect d'importance primordiale est de montrer l'intérêt de la nanostructuration de ces films. Des matériaux structurés avec des morphologies optimisées et associées à des propriétés uniques ont donc été caractérisés par ac-électrogravimétrie. Différents oxydes métalliques de type TiO2, WO3 et RuOx.nH2O ont été préparés selon différentes stratégies: dépôts physiques, électrochimiques assistés par des tensioactifs et composites à base de nanotubes de carbone. Dans ce travail, en plus de l'approche d'électrogravimétrie, différentes techniques de caractérisation plus classiques ont été utilisées pour quantifier ces effets de structuration et notamment, les modifications en termes de porosité au sein des films. D'une manière plus précise, la question était de voir comment des films mésoporeux avec de petites tailles de pores et une grande surface spécifique, pourraient faciliter les processus d'intercalation/d'électroadsorption des ions. / During this thesis project, it was attempted to underline the importance of investigating the ion’s exchange phenomena at the metal oxides electrode/electrolyte interface in order to understand and to furtherly improve their promised performances mostly as highly functional electrodes for supercapacitors. The key phenomena for all these electrodes functionalities originates in the ion’s exchange at the interface of electrode/electrolyte, it is crucial to investigate the role of electrolyte composition, to identify the status of transferred ions and the solvation effect also to investigate their dynamics of transfer at the interface. As a consequence we have decided to focus on the capabilities of a non-classical methodology so-called, ac-electrogravimetry. Another subject of crucial matter for our attention was to illustrate the most fundamental reasons of the electrochemical improvements brought by nanostructuration. In fact, the materials structuration with favorable morphologies and unique properties would alter their functionalities and this can effectively be deeply characterized by ac-electrogravimetry. Different morphologies of TiO2, WO3 and RuOx.nH2O metal oxides were prepared as furtherly detailed. As a consequent, during this thesis project investigations were performed to see what differences in behavior are brought by procuring porosity within these film. In other words, how mesoporous films with small pore sizes, and large surface area to volume ratios could facilitate the ion intercalation/electroadsorption process involved with our chosen synthesized MOx electrodes.

Des films minces d’oxydes de cuivre (Cu2O, Cu4O3 et CuO) ont été déposés à température ambiante sur des substrats en verre et en silicium par pulvérisation magnétron réactive. Une attention particulière a été portée à l’influence des conditions de synthèse (débit d’oxygène et pression totale) sur la structure et l’orientation préférentielle des dépôts. La pression totale est le paramètre principal influençant la texture des films de Cu2O et de Cu4O3. En revanche l’orientation préférentielle des films de CuO est contrôlée par le débit d’oxygène. Pour des films de Cu2O et de Cu4O3, un phénomène de croissance épitaxique locale (CEL) a été mis en évidence. Il résulte de l’utilisation d’une première couche qui joue le rôle d’une couche de germination lors du processus de croissance. Ainsi, les films peuvent croître avec une texture donnée indépendamment de leurs conditions de synthèse. Cet effet de CEL a été mis à profit pour élaborer des films biphasés (Cu2O + Cu4O3) qui présentent une microstructure originale. L’augmentation de la transmittance optique et du gap optique de films de Cu2O a été rendue possible par des traitements thermiques dans l’air qui permettent de diminuer la densité de défauts dans les films. Finalement, les propriétés optiques et la structure électronique des oxydes de cuivre qui ont été calculées par la méthode GW sont en accord avec des résultats expérimentaux obtenus par absorption optique, photoémission et spectroscopie de perte d’énergie des électrons. / Copper oxide (Cu2O, Cu4O3 and CuO) thin films have been deposited on unmatched substrates by sputtering at room temperature. The influence of oxygen flow rate and total pressure on the film structure and preferred orientation has been studied. The total pressure is a relevant parameter to control the texture of Cu2O and Cu4O3 films, while the oxygen flow rate is effective to tune the preferred orientation of CuO films. Local epitaxial growth, where epitaxial relationship exists in columns of sputtered films, has been observed in Cu2O and Cu4O3 films by using a seed layer. The seed layer will govern the growth orientation of top layer via the local epitaxy, independently of the deposition conditions of top layer. Unusual microstructure that both phases have the vertically aligned columnar growth has been evidenced in biphase Cu2O and Cu4O3, which may relate to the local epitaxial growth of Cu2O. The lower resistivity than that in single phase films has been observed in this biphase film. Annealing in air can increase the transmittance of Cu2O films in visible region by the reduction of the impurity scattering, while the optical band gap is enlarged due to the partial removal of defect band tail. The optical properties and electronic structure of copper oxides calculated by GW approach with an empirical on-site potential for Cu d orbital, are in good accordance with experimental results from optical absorption, photoemission and electron energy loss spectroscopies

Le travail de thèse est consacré à la synthèse, l’élaboration et à l’étude des propriétés physiques d’une famille d’oxydes semi-conducteurs BiVO4 sous formes de nanostructures et de films minces incluant un dopage métallique (Metal = Cu, Mo et Ag) dans le but de réaliser des photocatalyseurs efficaces sous irradiation en lumière visible. La synthèse de nanopoudres dopées a ainsi été effectuée par la technique de broyage planétaire à haute énergie ainsi que par la méthode sol-gel. Les matériaux obtenus et les effets de dopage ont été étudiés sur les caractéristiques structurales, électroniques et optiques. En conjuguant des études par XPS, Raman et RPE, nous avons montré que le dopage substitutionnel est effectivement réalisé pour les ions (Cu, Mo) localisés dans les sites cristallins des ions vanadium alors que le dopage par l’élément Ag contribue à former des clusters métalliques localisés à la surface de nanoparticules de BiVO4 formant ainsi des nanocomposites. Les réactions photocatalytiques ont été étudiées par la dégradation de colorants organiques (Acide bleu 113, méthyle orange (MO)) dans des solutions faiblement concentrées. Parmi les ions dopants substitués dans les matrices hôtes, le dopage au cuivre (Cu2+) a montré de meilleures performances en raison d'une augmentation de la densité de charges photo-générées et de la conductivité électrique par rapport au cas du dopage au molybdène. Pour le dopage à l’argent, la formation de clusters métalliques donnent lieu à des effets de résonances plasmoniques qui améliorent l'efficacité photocatlytique à un niveau équivalent à celui du dopage substitutionnel au cuivre. La deuxième contribution de ce travail a porté sur la réalisation par pulvérisation cathodique rf-magnétron de films minces BiVO4 dopés par des éléments Mo et Cu dans des conditions définies par l'atmosphère de dépôt à base de pressions partielles d’un gaz Ar ou d’un mélange Ar / O2 et des températures de substrats variables jusqu'à 450 ° C. Les paramètres optimaux de dépôt ont été identifiés pour réaliser des films cristallins à faible rugosité de surfaces ou à morphologies en nano-îlots. Des études photocatalytiques utilisant des films minces dopés ont été effectuées par la dégradation des colorants organiques (MO) sous rayonnement visible. Ces études montrent que la morphologie des films avec des surfaces spécifiques importante est aussi un facteur d’amplification des performances photocatalytiques des films minces dopés Me-BiVO4. / The thesis work is devoted to the synthesis and investigations of the physical properties of a family of semiconducting oxides based on BiVO4 as nanostructures or thin films including a metal doping (Metal = Cu, Mo and Ag) in order to achieve effective photocatalysts under visible light irradiation. The synthesis of doped nanopowders was carried out by the techniques of high-energy ball milling and sol-gel. The resulting materials and doping effects were characterized on the structural, electronic and optical properties. By combining XPS, Raman and EPR studies, it was shown that the substitutional doping is achieved for the doping ions (Cu, Mo) being located in the lattice sites of the vanadium ions. Oppositely, Ag doping contributes to form Ag metal clusters located on the surface of nanoparticles of BiVO4 thereby forming nanocomposites. Photocatalytic reactions were studied by the degradation of organic dyes (Acid Blue 113, methyl orange (MO)) in low concentrated solutions. Among the doping ions substituted in the host matrices, Cu2+ showed better photocatalytic performances because of an increase in the density of photo-generated charges and similar effect on the electrical conductivity compared to the case of Mo doping. In the Ag based nanocomposites, the formation of metal clusters seems to induce surface resonance plasmonic effects that improve the efficiency of photocatalytic reactions with respect to the activity demonstrated for substitutional doping. The second contribution of the thesis work was devoted to BiVO4 thin films deposition by rf sputtering process with Mo and Cu doping under defined synthesis conditions such as the partial pressures of Ar gas or an Ar / O2 mixture and varying the substrate temperatures up to 450 ° C. The optimal deposition parameters have been identified to achieve crystalline films with low roughness surface or alternatively with nano-islands morphologies. Photocatalytic studies using doped thin films were carried out through the degradation of organic dyes (MO) under visible light irradiation. The performed measurements show that the film morphology with high specific surface is also a key factor in the amplification of photocatalytic reactions in metal doped thin films.

Les métaux lourds et les radionucléides sont présents dans différents écosystèmes du monde à cause de contaminations naturelles ou des activités anthropiques. L’utilisation de micro-organismes pour restaurer ces écosystèmes pollués, processus connu sous le nom de bioremédiation, suscite beaucoup d’intérêt, spécialement aux pH proches de la neutralité. Les minéraux de fer qui encroûtent les bactéries neutrophiles du fer, notamment les Oxydes de Fer Biogéniques (BIOS en anglais), ont une structure très faiblement cristalline, qui en plus de leur grande surface et réactivité font d’eux d’excellents supports pour le piégeage de polluants inorganiques. Dans cette thèse nous avons étudié les différents mécanismes de piégeage de l’uranium uranium par la bactérie neutrophile Sphaerotilus natans, choisie comme modèle bactérien de micro-organismes du fer capables de filamenter en formant des gaines. S. natans peut croître sous forme de cellules individuelles ou formant des filaments. Ces derniers ont été utilisés pour étudier la biosorption d’U(VI) et sa sorption sur les BIOS. De plus, la sorption d’U(VI) sur les analogues abiotiques de ces minéraux de fer a été testée. Afin d’utiliser les filaments de S. natans pour piéger l’U(VI), il était nécessaire d’identifier les facteurs induisant la filamentation de S. natans. L’influence de l’oxygène a été établie en utilisant des techniques de biologie moléculaire et nos résultats ont démontré que tandis qu’en condition d’oxygène saturé elle croît sous forme de cellules individuelles, une diminution modérée d’oxygène à ~ 3 mg O2.L-1 la fait croître sous la forme désirée, des filaments de S. natans.Les BIOS attachés aux filaments de S. natans ainsi que ses analogues abiotiques ont été analysés pas XAS au seuil K du Fe. Les deux matériaux identifiés sont des phosphates de fer(III) amorphes avec une faible proportion de fer(II), qui présentent une réactivité élevée pour le piégeage de polluants inorganiques. L’EXAFS au seuil LIII de l’U a montré la même structure pour les couches O, tandis que celles P, Fe et C étaient différentes en fonction des sorbants. Une étude intégrée qui combine des techniques expérimentales avec des calculs de spéciation a permis de décrire les isothermes d’adsorption de l’U(VI) en utilisant un modèle de complexation de surface. Ces résultats suggèrent que les groupes phosphoryles et carboxyles sont les groupes fonctionnels principaux pour la biosorption d’U(VI) par des filaments de S. natans. Les résultats de cette thèse vont aider à comprendre les processus contrôlant l’immobilisation de l’U(VI), soit par la biosorption sur S. natans, la sorption sur les BIOS ou la sorption sur les phosphates de fer, et en conséquence le devenir de l’U en conditions neutres / Heavy metals and radionuclides are present in some ecosystems worldwide due to natural contaminations or anthropogenic activities. The use of microorganisms to restore those polluted ecosystems, a process known as bioremediation, is of increasing interest, especially under near-neutral pH conditions. Iron minerals encrusting neutrophilic iron-related bacteria, especially Bacteriogenic Iron Oxides (BIOS), have a poorly crystalline structure, which in addition to their large surface area and reactivity make them excellent scavengers for inorganic pollutants. In this PhD work we studied the different mechanisms of uranium scavenging by the neutrophilic bacterium Sphaerotilus natans, chosen as a model bacterium for iron-related sheath-forming filamentous microorganisms. S. natans can grow as single cells and filaments. The latter were used to investigate U(VI) biosorption and U(VI) sorption onto BIOS. In addition, uranium sorption onto the abiotic analogues of such iron minerals was assessed. In order to use S. natans filaments for U(VI) scavenging, it was necessary to identify factors inducing S. natans filamentation. The influence of oxygen was ascertained by using molecular biology techniques and our results revealed that while saturated oxygen conditions resulted in single cell growth, a moderate oxygen depletion to ~ 3 mg O2.L-1 led to the desired filamentous growth of S. natans. BIOS attached to S. natans filaments as well as the abiotic analogues were analysed by XAS at Fe K-edge. Both materials were identified as amorphous iron(III) phosphates with a small component of Fe(II), with a high reactivity towards scavenging of inorganic pollutants. In addition, EXAFS at the U LIII-edge revealed a common structure for the O shells, while those for P, Fe and C were different for each sorbent. An integrated approach combining experimental techniques and speciation calculations made it possible to describe U(VI) adsorption isotherms by using a surface complexation model. These results suggested the role of phosphoryl and carboxyl groups as the main functional groups involved in the U(VI) biosorption by S. natans. The results of this PhD work will help to better understand the processes governing U(VI) immobilization, either by S. natans biosorption, sorption onto BIOS or sorption onto iron phosphates, an thus the fate of uranium in near-neutral pH environments