Pour faire face à l’augmentation des émissions de CO2 dans l’atmosphère à cause de la production électrique dans des centrales à charbon, le captage en post-combustion au moyen d’un procédé VSA est une solution envisageable. Les adsorbants utilisés dans notre étude sont la TEPA imprégnée sur SiO2, les oxydes de terre rare et le MOF (Metal Organic Frameworks) SIM-1. Pour chaque adsorbant, une étude du perçage puis de la régénération a été effectuée à partir d’une alimentation composée de 15%vol de CO2 et de N2. De ces essais, les conditions opératoires des cycles VSA ont été établies (durées des phases courtes, pas de circulation de purge). En cycle, les performances sont comparées à celle du procédé d’absorption avec la monoéthénolamine. La pureté du désorbat varie de 89,2%vol à 97,2%vol selon les adsorbants et les conditions opératoires. Elle est inférieure à celle du procédé d’absorption (99%vol) mais est correcte pour le transport et le stockage. Le taux de captage évolue de 87,2% à 94,9% (absorption : 98%). La consommation énergétique est inférieure à celle du procédé avec la MEA (de 1,53 à 3,45 MJ.kgCO2 1 pour notre procédé et 3,7 MJ.kgCO2¬1 pour l’absorption) Enfin la productivité est du même ordre de grandeur que celle d’autres procédés VSA de la littérature. Avec le modèle numérique, une étude locale de l’adsorbeur a été menée. Puis grâce à une étude paramétrique, des conditions optimales en cycle ont été déterminées. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence des performances comparables avec les autres procédés VSA de la littérature. De plus, notre procédé est beaucoup moins énergivore que le procédé d’absorption mais la pureté du désorbat et le taux de captage en CO2 restent inférieurs. / To deal with the CO2 emissions increase in the atmosphere due to electricity production, CO2 post-combustion capture by VSA process is a promising solution. The adsorbents used in this study are impregnated TEPA on SiO2, lanthanide oxides and the MOF (Metal Organic Frameworks) SIM-1. For each adsorbent, a study of breakthrough and regeneration was carried out from a feed composed of 15%vol CO2 and N2. From these experiments, the cyclic operating conditions of VSA have been established (short duration phases, no purge). Cyclic performances are compared to that of the absorption process with monoethenolamine. The desorbate purity varies from 89.2% to 97.2%vol according to adsorbent and operating conditions. It is less than that obtained with absorption process (99%vol) but it is correct for transport and storage. The recovery varies from 87.2% to 94.2% (absorption: 98%). The energy consumption is less than that the process with the MEA (from 1.53 to 3.45 MJ.kgCO2 1 for our process and 3.7 MJ.kgCO2 1 for absorption). . Finally, the productivity is of the same order of magnitude as that of other VSA processes from literature. With the numerical model, a local study of the adsorber was carried out. Afterwards, through a parametric study, cycle optimal conditions were determined. The cycle results highlighted comparable performances with the other VSA processes from literature. Moreover, our process needs less energy than absorption process but the desorbate purity and CO2 recovery remain lower.

Le phénomène d’up-conversion de photon (UpC) permet de générer de la lumière à longueurs d’onde plus courtes que la longueur d’onde d’excitation. Dans cette recherche, la synthese de couches minces dopées avec des ions de terres rares (RE3+) optiquement actifs, leurs caractérisations structurales, ainsi que leurs propriétés optiques et de photoluminescentes ont été étudiées. Les couches ont été élaborées par deux voies de dépôt de couche sur du silicium et des substrats transparents: tout d’abord, un dépôt chimique organométallique en phase vapeur (LI-MOCVD, AA-MOCVD) est utilisé pour le dépôt des couches minces de YF3 et Y2O3 co-dopées Er/Yb. Il est démontré que l’émission d’UpC de Er3+ avec une excitation à 972 nm est influencée par le réseau hôte. Par ailleurs, le traitement sol-gel, une technique chimique par voie humide, est utilisé pour la fabrication de couches minces Y2O3, SiO2 et TiO2 co-dopées Er/Yb par spin-coating. Une optimisation de l’´emission de lumière par UpC a été atteinte grâce à l’ajustement de la concentration de RE et de la température de traitement thermique. De plus, une approche différente a été étudiée pour atteindre une émission UpC renforcée : l’utilisation de microcavités diélectriques de Fabry-Pérot obtenues par sol-gel, constitués d’un empilement de couches de silice et d’oxyde de titane, avec Er/Yb:Y2O3 comme couche de cavité. Le but de ce travail est de répondre aux questions suivantes: comment la nature du réseau hôte et le niveau de dopage influencent l’émission radiative de l’Er3+? Quelles sont les conditions pour un bon matériau d’UpC et ses limites? Nous incluons également une discussion sur les perspectives d’une application possible d’une couche d’UpC dans un dispositif de cellule solaire, qui pourrait améliorer la réponse dans l’infrarouge. / Photon up-conversion (UpC) allows the generation of light of shorter wavelengths compared to the excitation wavelength. In this work the synthesis of thin films doped with optically active rare earth (RE3+) ions, their structural characterization, as well the optical and photoluminescence properties are highlighted. The emphasis lies on two different routes of film deposition on silicon and transparent substrates: first, metalorganic chemical vapor deposition (LI-MOCVD, AA-MOCVD) is introduced for the deposition of Er/Yb-doped YF3 and Y2O3 films and it is demonstrated, how the UpC emission of Er3+ upon 972 nm excitation is influenced by the host lattice. Secondly, sol-gel processing, a wet-chemical technique, is used for the fabrication of Er/Yb-doped Y2O3, SiO2 and TiO2 thin films by spin-coating. Optimization of the up-converted light emission was achieved through adjusting the RE concentration and the processing temperature. Moreover, in a different approach for achieving an enhanced UpC emission, sol-gel derived Fabry-Pérot dielectric microcavities, consisting of a multilayer stack of silica and titania layers and Er/Yb: Y2O3 as the cavity layer, are investigated. The aim of this work is to address the questions, how does the nature of the host lattice and doping level influence the radiative emission in Er3+, what are the requirements for a good upconverter material and what are the limitations? We also include a discussion of the application of an upconverter to a solar cell device, which may debatably enhance the response in the infrared.

Dans cette thèse, nous présentons des études théoriques de matériaux pérovskites sous con-trainte mécanique uniaxiale en combinant les calculs de premier principe DFT ainsi quela théorie phénoménologique de type Landau. Les pérovskites ABO3 forment une classetrès importante de matériaux fonctionnels, qui peuvent présenter un large éventail de pro-priétés (e.g., supraconductivité, magnétisme, ferroélectricité, multiferroïcité, transitionsmétal-isolant. . . ) grâce aux petites distorsions d’ une même structure prototype cubique.Bien que ces composés aient été largement étudiés expérimentalement et théoriquement, ilreste encore des questions importantes et non résolues concernant les effets de contraintesuniaxiales. Au cours de ces dernières années, l’ ingénierie de contrainte a été décrite commeune approche originale pour ajuster les propriétés ferroélectriques pérovskites ABO3. Alorsque les effets de tension épitaxié-biaxiale et pression la hydrostatique, sont plutôt bien com-pris dans cette classe de matériaux, très peu est connu en ce qui concerne l’ effet des con-traintes mécaniques uniaxiales. Notre étude est motivée par ce manque de compréhensionactuelle de l’ effet de tension et compression uniaxiale, qui a été jusqu’à présent presquetotalement négligé. Deux composés prototypes sont étudiés dans le détail: PbTiO3 etSrTiO3. Après une introduction générale sur les composés ABO3 et les calculs techniques(ab initio et modèle phénoménologique de Landau), nous avons étudié l’ effet de contraintesmécaniques sur ces matériaux dans notre thèse.PbTiO3 est un composé ferroélectrique prototypique et également l’ un des composantsmère de la solution solide Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), qui est le piézoélectrique le plus largementutilisé dans des applications. Pour PbTiO3, nous avons montré que indépendammentde la contrainte mécanique uniaxiale appliquée, le système conserve un état fondamentalpurement ferroélectrique avec la polarisation alignée, soit le long de la direction de lacontrainte (en phase FEz) ou bien le long d’ un des axes pseudo-cubique, qui lui estperpendiculaire (phase de FEx). Cela contraste avec les cas de contraintes mécaniquesisotropes ou bi-axial, pour qui de nouvelles phases combinant des modes ferroélectriqueset antiferrodistortives ont déjà été décrites. Sous contrainte uniaxiale, PbTiO3 passe d’unétat fondamental FEx sous compression à un état fondamental FEz en tension au-delà d’une tension critique !czz! +1%. Sous contrainte uniaxiale, PbTiO3 présente soit un étatfondamental FEx sous compression ("zz < 0) ou un état fondamental de FEz sous tension("zz > 0). Cependant, ici, un brusque saut des paramètres structuraux est prévu sousdes contraintes de compression et de traction à des valeurs critiques "zz! +2 GPa et −8GPa. Ce comportement semble similaire à celui pré-prédit sous pression isotrope négativeet pourrait se révéler utile en pratique pour améliorer la réponse piézoélectrique dans lesnano-composants.Le deuxième composé intéressant est SrTiO3. Il a été largement étudié au cours desdernières décennies, en raison de ses propriétés exceptionnelles à basse température. Dansce travail, nous avons élargi nos précédentes études de PbTiO3, en explorant théorique-ment les effets de pression sur la perovskite SrTiO3, combinant les premiers principes decalculs et un modèle phénoménologique de type Landau. Nous avons discuté de l’évolutiondes fréquences des phonons de SrTiO3 des trois cas de contraintes isotrope, uniaxial ettensions biaxiaux en utilisant les calculs de premier principe. Nous confirmons des travauxexpérimentaux précédents sur SrTiO3 que ça soit en contrainte épitaxiée ou sous pressionhydrostatique. Enfin, nous avons calculé de diagramme de phase de SrTiO3 sous contrainteuniaxiale, obtenue à partir de la théorie de Landau que nous avons comparé aux calculsde premier principe. / In the present thesis we present theoretical studies of perovskite compounds under uniax-ial mechanical constraints combining first-principles DFT calculations approach and phe-nomenological Landau theory. ABO3 perovskites form a very important class of functionalmaterials that can exhibit a broad range of properties (e.g., superconductivity, magnetism,ferroelectricity, multiferroism, metal-insulator transitions. . . ) within small distortions ofthe same simple prototype cubic structure. Though these compounds have been exten-sively studied both experimentally and computationally, there are still unresolved issuesregarding the effect of pressure. In recent years, strain engineering has reported to bean original approach to tune the ferroelectric properties of perovskite ABO3 compounds.While the effect of epitaxial biaxial strain and hydrostatic strain is rather well understoodin this class of materials, very little is yet known regarding the effect of uniaxial mechanicalconstraints. Our study is motivated by the little existing understanding of the effect ofuniaxial strain and stress, that has been up to now almost totally neglected. Two proto-type compounds are studied in detail: PbTiO3 and SrTiO3. After a general introductionon ABO3 compounds and calculations techniques (ab initio and phenomenological Landaumodel), we studied the effect of mechanical constraints in these compounds in our thesis.PbTiO3 is a prototypical ferroelectric compound and also one of the parent components ofthe Pb(Zr,Ti)O3 solid solution (PZT), which is the most widely used piezoelectrics. ForPbTiO3, we have shown that irrespectively of the uniaxial mechanical constraint applied,the system keeps a purely ferroelectric ground-state, with the polarization aligned eitheralong the constraint direction (FEz phase) or along one of the pseudocubic axis perpen-dicular to it (FEx phase). This contrasts with the case of isotropic or biaxial mechanicalconstraints for which novel phases combining ferroelectric and antiferrodistortive motionshave been previously reported. Under uniaxial strain, PbTiO3 switches from a FEx groundstate under compressive strain to FEz ground-state under tensile strain, beyond a critical strain !czz! +1%. Under uniaxial stress, PbTiO3 exhibits either a FEx ground state undercompression ("zz < 0) or a FEz ground state under tension ("zz > 0). Here, however, anabrupt jump of the structural parameters is also predicted under both compressive andtensile stresses at critical values "zz! +2 GPa and −8 GPa. This behavior appears similarto that predicted under negative isotropic pressure and might reveal practically useful toenhance the piezoelectric response in nanodevices.The second compound of interest is SrTiO3. It has been widely studied in the past decadesdue to its unusual properties at low temperature. In this work, we have extended ourprevious investigations on PbTiO3 by exploring theoretically the pressure effects on per-ovskite SrTiO3 combining the first-principles calculations and a phenomenological Landaumodel. We have discussed the evolution of phonon frequencies of SrTiO3 with the threeisotropic, uniaxial and biaxial strains using first-principles calculations. We also reproducethe previous work done in SrTiO3 with epitaxial strain and hydrostatic strain. Finally,we have calculated the phase diagram of SrTiO3 under uniaxial strain, as obtained fromLandau theory and discussed how it compares with the first-principles calculations.

Le but de ce travail de thèse est de réaliser des vannes de spin « naturelles » constituées d’un matériau unique. Le matériau en question doit contenir une alternance de feuillets magnétiques et non magnétiques et présenter différents états magnétiques. Ce système modèle ne présenterait alors ni d’inter diffusion ni de rugosité aux interfaces magnétiques/non-magnétiques et pourrait constituer un système modèle pour les études des phénomènes de transport dépendant de spin. Le CoV2O6 est un oxyde polymorphe de basse dimensionnalité. Les deux phases (α et γ) présentent chacune plusieurs plateaux d’aimantation induits par un champ magnétique. Le premier objectif est de comprendre la structure cristalline et magnétique de ce composé, ce qui a été réalisé par des mesures d’aimantation, de diffraction des rayons X et de neutrons sur des poudres et monocristaux. Les résultats de la phase α sont appuyés par des calculs ab initio. Le second objectif est de déposer ce matériau en couche mince afin d’analyser ses propriétés de transport. Des films épitaxiés de γ CoV2O6 ont été obtenus sur TiO2(100) et TiO2/Pt(111) par ablation laser. Le dépôt sur l’électrode de Pt montre la présence de six variants entrainant l’observation de plateaux d’aimantation supplémentaires. / The purpose of this work is to synthesize “natural” spin valves within one unique material. The material needs a crystalline structure formed by stacking magnetic and non-magnetic sheets as well as different magnetic states. Such model system could be used for the study of spin dependent transport properties as no-roughness or diffusion at the magnetic/non-magnetic interfaces is allowed. The polymorph low-dimensional oxide CoV2O6 is such a material. Both phases (α and γ) exhibit field induced magnetization plateaus. This study’s first aim is to understand crystalline and magnetic structures. Investigations were performed on powders and single crystals using magnetization measurements as well as X-ray and neutron diffraction measurements. The magnetic properties of α CoV2O6 were supported by ab initio calculations. The second aim is to grow CoV2O6 thin films in order to analyze further the transport properties. Epitaxial γ CoV2O6 thin films were obtained by pulsed laser ablation on both TiO2(100) and TiO2/Pt(111) substrates. Films grown on Pt electrode exhibit six variants which allows observing additional magnetization plateaus.

Les latérites sont les sols les plus utilisés dans les travaux de génie civil, plus particulièrement en construction routière dans la plupart des pays de la zone intertropicale. Ce sont des sols résiduels ou détritiques provenant de l’altération des roches préexistantes. Ces sols contiennent en quantité appréciable des oxydes de fer et d’aluminium, de la kaolinite et de la silice, mais de faibles quantités d’oxydes de titane, de manganèse, de magnésium, …, etc. La grande diversité des composés chimiques des latérites rend leur caractérisation malaisée. En outre, les documents normatifs et les guides techniques utilisés pour le dimensionnement des chaussées en Afrique subsaharienne pour la plupart inadaptés, ne prennent pas en compte la spécificité des conditions climatiques et environnementales des formations latéritiques dans les projets routiers. Une caractérisation interdisciplinaire de ces sols avec la prise en compte des facteurs intervenant dans le processus de latéritisation permettrait de déterminer des propriétés plus précises, plus pertinentes et beaucoup plus représentatives. Ce travail a pour vocation la caractérisation et la détermination de l’aptitude des sols latéritiques du sud-ouest du Niger. La zone concernée par l’étude comporte sept gisements latéritiques aux contextes géologiques forts différents les uns des autres. Notre étude, basée sur diverses approches a permis de déterminer les propriétés géotechniques et mécaniques des sols d’une part et les propriétés chimiques et minéralogiques d’autre part. À l’issue de l’étude, deux catégories de sols sont à distinguer : [1] les sols de bonne portance : d’indice CBR de l’ordre de 100 contiennent en moyenne une teneur en fines n’excédant pas 12% et un indice de plasticité inférieur à 15. Pour ces sols, la portance dépend beaucoup de la taille des particules. Ces derniers ont une résistance élevée au cisaillement et un angle de frottement interne effectif φ’ de l’ordre de 40° ainsi qu’une cohésion effective c’ supérieure à 10 kPa. Leur comportement est dilatant au cours du cisaillement. Ils présentent de faibles valeurs en indice de vide et en perméabilité. De même, leur amplitude de tassement est faible. La bonne portance de ces sols se justifie principalement par leur teneur appréciable en oxydes de fer. L’attaque de la matrice fine par ces derniers se fait de manière diffuse ou par concrétionnement sous forme de cercles d’oolithes et de pisolithes ovoïdes tangents. [2] les sols de faible portance : la fraction fine et l’indice de plasticité sont élevés, respectivement de l’ordre de 25 et 30. La portance est de l’ordre de 30, l’angle de frottement interne inférieur à 30° et la cohésion inférieure à 5 kPa. Ces sols résistent faiblement au cisaillement et leur comportement est contractant, c’est-à-dire celui d’un sable lâche. Ils sont plus compressibles, encore moins perméables avec un coefficient de gonflement élevé. La faible portance de ces sols est imputable à leur faible teneur en oxydes de fer, ainsi que le mode d’attaque qui se fait de manière isolée.L’amélioration des sols présentant une faible portance a été expérimentée en y rajoutant séparément une certaine teneur en liant hydraulique (ciment), en chaux (CaO) et en nodules latéritiques. Les analyses minéralogiques et chimiques ont montré que l’ajout des produits a conduit à une modification texturale et a favorisé la mise en place de composés chimiques néo-synthétisés ayant pour rôle principal de renforcer les liaisons entre les éléments minéraux contenus dans les échantillons de sol latéritique. Dans la plupart des cas, les échantillons améliorés ont présenté une bonne portance validant ainsi leur aptitude en construction routière. / Laterites are the most commonly used soils in civil engineering works, particularly in road construction in most countries of intertropical region. These are residual or detrital soils resulting from the alteration of pre-existing rocks. These soils contain a considerable quantity of iron and aluminum oxides, kaolinite and silica, but small quantities of titanium oxides, manganese, magnesium, etc. The large diversity of the chemical compounds of laterites makes their characterization difficult. Moreover, specification documents and technical guides used for road design in sub-saharan Africa, most of them unsuitable, do not take into account the specificity of climatic and environmental conditions of laterite formations in road projects. An interdisciplinary characterization of these soils, taking into account the factors involved in the lateritization process, should make it possible to be determined more precisely. It’s also the best way to get more relevant and much more representative properties. The aim of this work is to characterize and determine the lateritic soils suitability of southwestern Niger in road construction. The area covered by the study consists of seven lateritic deposits with strong geological different contexts from one to another. Our study, based on various approaches, made it possible to determine the geotechnical and mechanical properties of the soils on the one hand and the chemical and mineralogical properties on the other hand. At the end of the study, two categories of soils are to be distinguished: [1] soils with good bearing capacity : CBR of around 100 contain average fines content not exceeding 12% and a plasticity index less than 15. For these soils, the bearing capcity depends very much on the size of the particles. They have a high shear strength, an effective internal friction angle φ' of the order of 40° and an effective cohesion c' greater than 10 kPa. Their behavior is dilatant during shear. They have low values in void ratio and in index permeability. Similarly, their amplitude of settlement is low. The good bearing capacity of these soils is mainly justified by their appreciable iron oxides content. The attack of the microstructure by the latter is done in diffuse way or by concretionary circles of oolites. [2] the soils of low bearing capacity : the fine fraction and the plasticity index are high respectively of the order of 25 and 30. The bearing capacity is around 30, the internal friction angle is less than 30° and the cohesion less than 5 kPa. These soils are weak to the shear and their behavior is contracting (loose sand behavior). They are more compressible and less permeable with a high swelling coefficient. The low bearing capacity of these soils is attributable to their low iron oxide content and to the mode of attack which is carried out in isolated way.The improvement of soils with low bearing capacity has been tested separately by adding a certain amount of hydraulic binder (cement), lime (CaO) and lateritic nodules. Mineralogical and chemical analyzes showed that the addition of the products led to a textural modification and favored the production of neo-synthesized chemical compounds whose main role was to strengthen the links between the mineral elements contained in the lateritic samples. In most cases, the improved samples showed good bearing capacity and validated their road pavement suitability.

Dans un contexte où les limites intrinsèques des matériaux classiques de l’industrie CMOS sont en passe d’être atteintes du fait de la forte miniaturisation des composants, le développement de la microélectronique requiert la définition de nouvelles solutions pour combiner sur un même substrat (le silicium) des matériaux différents aux propriétés physiques variées. Ceci devrait permettre d’intégrer sur silicium des fonctionnalités nouvelles. Parmi les matériaux d’intérêt, les oxydes fonctionnels de la famille des pérovskites offrent une large gamme de propriétés et attirent donc une attention particulière. D’autre part, la recherche se porte aussi sur les semi-conducteurs de la classe III-V et le Ge pour leurs propriétés optiques ou de transport de charges. Cependant, la grande hétérogénéité chimique et cristallographique entre ces matériaux rend leur association sur silicium par voie épitaxiale particulièrement délicate. Dans ce contexte, ce travail de thèse consiste en une étude approfondie de l’interface Ge sur SrTiO3et des mécanismes à l’origine des modes d’accommodation et de croissance du semi-conducteur sur le substrat pérovskite. Les échantillons, fabriqués par épitaxie par jets moléculaires, ont été étudiés par caractérisations in situ, au synchrotron, diffraction de rayons X en incidence rasante et spectroscopie de photoémission. Des images de microscopie électronique en transmission sont venues compléter cette étude. La combinaison de ces résultats a permis de comprendre et de décrire deux aspects spécifiques des systèmes III-V et Ge sur SrTiO3. Le mode de croissance Volmer-Weber et la compétition entre les orientations cristallines(001) et (111) du Ge sont décrits dans une première partie. La relation d’épitaxie de Ge/SrTiO3est identifiée et l’influence des énergies d’adhésion et de surface libre du semi-conducteur sur sa croissance est élucidée. Dans une deuxième partie, le mode d’accommodation du Ge est plus spécifiquement étudié. La mise en place d’un réseau de dislocations d’interface est observée expérimentalement et analysée à l’aide d’un modèle numérique. Ce travail de thèse a permis de discuter de l’interface d’un système épitaxié très hétérogène et il ouvre des perspectives intéressantes, liées aux spécificités de l’accommodation aux interfaces semi-conducteurs/oxydes, pour l’intégration monolithique de Ge et de III-V sur des substrats d’oxydes/Si. / With the recent developments of the microelectronic industry, the intrinsic limits of the classical CMOS materials are being reached because of the strong miniaturization. Thus, the microelectronic industry is waiting for new solutions for combining, on the same substrate (silicon), different materials with various physical properties in the framework of integrating new functionalities on silicon. Research is now focusing on perovskite oxides because of the very wide range of properties they are offering (electronic, magnetic, etc.), but also on III-V semiconductors for the development of integrated photonic devices and on Ge for its electronic transport properties. However, combining these materials is challenging due to their strong chemical and crystallographic heterogeneity. Thus, this thesis focuses on the Ge/SrTiO3 system. The accommodation mode and growth mechanism have been studied by in situ, synchrotron-based, characterization methods like grazing incidence X-ray scattering and X-ray photoemission spectroscopy. The samples were prepared by molecular beam epitaxy. Transmission electron microscopy images complemented the study. The combination of these results have allowed for highlighting two specificities of the III-V or Ge/SrTiO3epitaxial systems. In a first chapter, the Volmer-Weber growth mode and a competition between (001)and (111)-oriented Ge islands is described. Epitaxial relationship between Ge and SrTiO3, chemical bonds at the interface and influence of adhesion and surface energies on the growth mode are described. In a second part, the specific accommodation mode of the Ge/SrTiO3 interface is studied. The development of a misfit dislocation network during the growth is experimentally observed and analyzed on the basis of a numerical model of the interface. This work provides state of the art understanding of the interface of weakly bonded epitaxial systems and opens interesting perspectives, especially related to the accommodation mode of semiconductors/oxides interfaces, for the monolithic integration of III-V or Ge on oxides/Si substrates.

Les semiconducteurs III-V ayant des propriétés électroniques et optiques très intéressantes, leur intégration sur Si permettrait la combinaison de fonctionnalités variées sur la même puce, une solution potentielle aux obstacles affrontés par les composants CMOS. Les travaux pionniers de McKee et al ont démontré que le SrTiO3 (STO) peut être directement épitaxié sur Si par EJM (Epitaxie par Jets Moléculaires). Plus tard, une équipe de Motorola a montré qu’il était possible d’épitaxier des couches minces de GaAs sur des templates de STO/Si, ouvrant une voie nouvelle pour l’intégration monolithique de III-V sur Si. Sur cette base, l’INL a entrepris l’étude de la croissance de semiconducteurs III-V sur STO. Il a notamment été montré que la faible adhésion caractéristique de ces systèmes favorisait un mode d’accommodation spécifique du désaccord paramétrique par la formation d’un réseau de dislocations confinées à l’interface entre les deux matériaux sans défauts traversant liés à une relaxation plastique, ce qui ouvre des perspectives intéressantes pour l’intégration monolithique de III-V sur Si. Dans ce contexte, lors de cette thèse, Nous nous sommes d’abord focalisé sur l’optimisation de la croissance des templates de STO/Si. Nous avons en particulier montré qu’une couche de STO relaxée et riche en oxygène favorisait la reprise de croissance de l’InP. Nous avons ensuite étudié de manière systématique la croissance d’InP sur STO. La faible adhésion caractéristique de ce système conduit à la formation d’îlots aux premiers stades de la croissance, ainsi qu’à l’observation d’une compétition entre plusieurs orientations cristallines de l’InP. Nous avons fixé des conditions de croissance et de préparation de la surface de STO permettant d’obtenir des îlots purement orientés (001). Nous avons ensuite optimisés l’étape de coalescence de ces îlots pour former des couches 2D d’InP intégrées sur STO/Si. Une étude structurale et optique complète de ces hétérostructures, nous a permis d’analyser le potentiel de notre approche et pointer certaines limitations des templates de STO/Si. Sur cette base, nous avons enfin initié l’étude de templates alternatifs pour la croissance d’InP, en effectuant quelques études préliminaires de l’épitaxie d’InP sur substrats de LaAlO3. / Due to their electrical and optical properties, the integration of III-V semiconductors on Si would open the path to the combination of a various functionalities on the same chip, a potential solution to the challenges faced by CMOS components. The pionner studies by McKee and al have shown that SrTiO3 (STO) could be directly epitaxied on Si by MBE (Molecular Beam Epitaxy). Few years later, a Motorola team has shown that it is possible to epitaxy thin GaAs layers on STO/Si templates, hence opening a new path for III-V monolithic integration on Si. Based on this, the INL has undertaken the study of III-V semiconductors growth on STO. In particular, it has been shown that the weak adhesion specific to these systems favors a preferential accommodation mode of the lattice mismatch by breaking interfacial bonds rather than by plastic relaxation of an initially compressed layer. Hence, it is possible in spite of a strong lattice mismatch to grow III-V semiconductors without threading defects related to a plastic relaxation mechanism, which opens interesting perspectives for IIIV monolithic integration on Si. In this context, during this thesis, we have focalised in the beginning on optimising the growth of the STO/Si templates. In particular, we have shown that a relaxed and oxygen-rich STO layer favors undertaking InP growth. Next, we have studied systematically the InP growth on STO. The weak adhesion specific to this system leads to islands formation at the early stages of growth, as well as the observation of a competition between different crystalline orientations of the InP islands. We have worked out STO growth conditions and surface preparation strategies that allow obtaining purely (001) oriented InP islands. We have next optimised the islands coalescence step in order to form 2D InP layers on STO/Si. Based on a complete structural and optical study of these heterostructures, we have been able to analyse our approach’s potential and to point out cetain limitations of the STO/Si templates. On this basis, we have finally initiated the study of alternative templates for InP growth, by undergoing some preliminary studies of InP epitaxy on LaAlO3 substrates.

La diversification des fonctionnalités intégrées dans les systèmes micro-optoélectroniques est l'un point clé du développement de ces filières. Combiner sur une même puce des matériaux ayant des propriétés différentes doit permettre de faire émerger de nouveaux concepts de composants basés sur de nouveaux effets physiques ou sur la combinaison des propriétés physiques des matériaux intégrés. Parmi les matériaux d'intérêt, les semi-conducteurs III-V présentent des propriétés optiques exceptionnelles et sont couramment utilisés pour réaliser des composants photoniques. Les oxydes fonctionnels, quant à eux, offrent une grande variété de propriétés physiques qui en font des matériaux très prometteurs pour de nombreuses applications. Dans ce contexte, l'objectif global de cette thèse est de démontrer la possibilité d'intégrer des oxydes fonctionnels cristallins sur des hétérostructures à base de GaAs par épitaxie, et de montrer que de telles structures peuvent présenter des propriétés nouvelles pour la photonique. Plus précisément, nous avons focalisé nos efforts sur l'intégration de couches minces de PZT sur des structures à puits quantiques InGaAs/GaAs via des couches tampons de SrTiO3 (STO). Nous avons étudié et développé la croissance par épitaxie par jets moléculaires (MBE) des templates de STO sur GaAs. La forte hétérogénéité entre ces deux types de matériaux nécessite d'avoir recours à des stratégies d'ingénierie d'interface spécifiques et à un excellent contrôle des paramètres de croissance. Nous avons mis en évidence les effets bénéfiques sur la qualité structurale du STO d'une préparation de la surface de GaAs au Ti. Pour ces études, nous avons utilisé la spectroscopie de photoélectrons (XPS, in-situ ou en collaboration avec la ligne TEMPO du synchrotron SOLEIL) et microscopie électronique en transmission (TEM, en collaboration avec le LPN). Ces expériences nous ont permis de sonder structure et chimie de l'interface semi-conducteur/oxyde. Nous avons également étudié les mécanismes de croissance et de cristallisation du STO sur GaAs, en mettant notamment en œuvre des expériences d'XPS in-situ au synchrotron SOLEIL. La compréhension de ces mécanismes spécifiques nous a permis d'adapter les conditions de croissance du STO et d'obtenir des couches tampons d'excellente qualité. Nous avons étudié la croissance de couches minces de PZT sur des structures à puits quantique d'In- GaAs/GaAs via des templates de STO. Nous avons tout d'abord montré que les procédés standards de croissance de PZT (sol-gel ou ablation laser (collaboration avec l'IEF)) conduisaient à de fortes dégradations des puits quantiques du fait des réactions chimiques entre l'oxyde et le matériau III-V. Nous avons étudié les mécanismes de ces dégradations et mis en évidence une forte affinité chimique entre l'As, le Pb et le Sr. Pour pallier cette difficulté, nous avons modifié le procédé de croissance du PZT ainsi que l'hétérostructure III-V (enfouissement du puits, ajout d'AlAs ...). Ces actions combinées nous ont permis de réaliser des couches minces de PZT ferroélectriques sur des structures à puits quantiques d'InGaAs/GaAs. Nous avons ensuite défini un design d'émetteur accordable basé sur une hétérostructure PZT/GaAs/InGaAs. De tels émetteurs ont été réalisés en collaboration avec l'IEF) et mesurés leurs propriétés mécaniques et optiques en effectuant des expériences sous champ. Enfin, nous avons effectué un certain nombre d'études préliminaires visant à démontrer la possibilité d'intégrer des hétérostructures à base de GaAs sur des substrats de Si recouverts de couches tampons de STO. Nous avons pour cela envisagé et étudié la possibilité d'utiliser des composés Zintl-Klemm d'interface susceptibles de minimiser l'énergie d'interface entre le GaAs et le STO. / Diversification of the materials and functionalities integrated on silicon is an important issue for further progression in the field of micro-optoelectronics. The monolithic heterogeneous integration of new materials on silicon, and more generally the combination on the same wafer of materials having different physical properties is a key challenge. Amongst the materials of interest, III-V semiconductors are the object of specific attention because their optoelectronic and transport properties are superior to those of silicon. Similarly, the so-called functional oxides have interesting physical properties (ferroelectricity, ferromagnetism, piezoelectricity, etc.) making them suitable for various applications (NVM, energy harvesters, MEMS . . . ). In this context, the goal of this thesis is to demonstrate the possible integration of crystalline functional oxides on GaAs-based heterostructures using epitaxy and that such structures show new properties for photonic. More precisely, we focused on integration PZT thin film on InGaAs/GaAs quantum wells structures thanks to SrTiO3 (STO) buffer layer. We first studied and developed the growth of STO on GaAs templates using molecular beam epitaxy (MBE). Because of the strong heterogeneity between the two materials, specific interface engineering strategies are required. We highlight the benefit of a Ti-based GaAs surface treatment on the structural quality of STO. For these studies we used photoelectrons spectroscopy (XPS, in-situ and collaboration with TEMPO beam line of SOLEIL synchrotron) and transmission electron spectroscopy (TEM, collaboration with LPN/C2N). Those experiments allowed us to probe both structural and chemical aspects of the semiconductor/ oxide interface. We also studied the growth mechanism of STO on GaAs through in-situ XPS experiments at SOLEIL. Thanks to the understanding of those specifics mechanisms, we could accommodate the growth conditions to obtain good quality STO buffer layers. Then we studied the growth of thin film PZT on InGaAs/GaAs quantum well structures by means of STO templates. We first showed that standard growth process (sol-gel and pulsed laser deposition at IEF/C2N) lead to strong deterioration of quantum well due to chemical reactions between the oxide and the III-V material. We studied the mechanisms involved in this deterioration and highlight the strong chemical affinity between As, Pb and Sr. To palliate this difficulty, the growth process of PZT has been modify and an AlAs “sacrificial” layers has been added in order to limit the oxygen difiusion into the substrate. Thanks to these two solutions, it has been possible to realize a PZT ferroelectric thin film on an InGaAs/GaAs quantum well heterostructure. A tunable source based on such heterostructure has been designed. In this device, the strain induced in the ferroelectric PZT by an electric field is transmitted to the substrate and the quantum well modifying its emitted wavelength. We simulated this device in order to optimize its dimensions. Then we realized this device (collaboration with IEF/C2N) and measured its mechanical and optical properties under an electric field. We also performed preliminary studies in order to demonstrate the possible integration of GaAs-based heterostructures on Si substrates in by the means of STO buffer layer. We considered the use of Zintl- Klemm compounds to minimize the interface energy between GaAs and STO allowing 2D growth of the semiconductor on the oxide.

L'objectif de ce travail est : (i) pour préparer des oxydes mixtes X% MxOy-TiO2 (M = V, Zr et Si), (X = 5, 10, 15 et 20 wt-.% MxOy.) par la méthode sol-gel et suivie par une calcination à 500° C, (ii) de caractériser les échantillons préparés par différentes méthodes d'analyse physico-chimique (AAF, ICP, DRX, BET, TG-DTA et FT-IR) et (iii) d'étudier leur réactivité dans l'époxydation de cyclohexène.D'après les résultats des caractérisations, nous constatons que :- L'analyse DRX montre que pour les trois systèmes nous avons l'apparition de la phase anatase de TiO2. La meilleure cristallinité a été observée pour le système en présence de V2O5. La phase de SiO2 est amorphe et la phase de ZrO2 n'a pas été détectée.- L'analyse par adsorption d'azote, donne le classement de ces systèmes selon leurs surfaces spécifiques comme suit :SiO2-TiO2>ZrO2-TiO2>V2O5-TiO2- L'analyse FT-IR de l'adsorption de la pyridine in situ montre que les trois systèmes présentent des sites acides de Lewis, alors que le 15%V2O5-TiO2 présente en plus les sites de Brönsted.Nous avons étudié aussi l'influence de divers paramètres expérimentaux sur la réaction d'époxydation du cyclohexène. Les résultats des tests catalytiques montrent que :- Les meilleurs résultats sont obtenus pour le système V2O5-TiO2.- Les meilleurs solvants sont l'heptane et l'acétonitrile qui donnent une bonne activité catalytique et une bonne sélectivité en époxyde.- La réaction d'époxydation du cyclohexène est une réaction du second ordre.- Le catalyseur 20% V2O5-TiO2 est stable au cours de la réaction catalytique et recyclable. / The aim of this work is: (i) to prepare mixed oxides X%MxOy-TiO2 (M = V, Zr and Si), (X = 5, 10, 15 and 20 wt.-% MxOy) by sol-gel method followed by calcination at 500°C, (ii) to characterize the prepared samples by different methods of physicochemical analysis (AAF, ICP, XRD, BET, TG-DTA and FT-IR) and (iii) to study their reactivity in the epoxidation of cyclohexene. According to the characterization results, we found that:- The XRD analysis shows that, for the three systems, TiO2 anatase has been evidenced. The best crystallinity was observed for the V2O5-TiO2 system. The TiO2 rutile phase has been obeserved for sample 5% ZrO2-TiO2, while the SiO2 phase is amorphous and ZrO2 phase was not detected.- Analysis by nitrogen adsorption, gave the sorting of these systems according to their specific surface areas as follows: SiO2-TiO2 > ZrO2-TiO2 > TiO2-V2O5- The FTIR analysis of in situ pyridine adsorption showed that all three systems display Lewis acid sites, whereassample 15% V2O5-TiO2 present Bronsted sites too.We studied the effect of different reaction parameters in the oxidation of cyclohexene. The results of the catalytic tests show that:- The best results are obtained for V2O5-TiO2 system.- The best solvents are heptane and acetonitrile which give good catalytic activity and high epoxide selectivity.- The epoxidation reaction of cyclohexene is a second-order reaction.- The catalyst 20%V2O5-TiO2 is stable during the catalytic reaction and suitable for recycling. / الهدف من هذا العمل هو تحضير أكاسيد المختلطةX%MxOy-TiO2, (M = V, Zr et Si), (X = 5, 10, 15 et 20 %) ، حيث X هو نسبة كتلة MxOy. تشخيص ودراسة نشاطها في اكسدة الهكسن الحلقي بوجود (TBHP) في الطور السائل. تم تحضير هذه أكاسيد المختلطة بطريقة sol-gel و حرقها تحت درجة حرارة 500 وتشخص هذه المواد بطرق مختلفة من التحليل الفيزيائية و الكيميائية (AAF, ICP, DRX, BET, ATG-ATD et FT-IR)وفقا لنتائج التشخيص نستخلص مايلي:-التحليل DRX تبين أن الأنظمة الثلاثة لديها طور anatase TiO2 ولوحظ أفضل التبلور في وجود نظام V2O5. وقد وجد طور rutile من TiO2 عن عينة 5%ZrO2-TiO2، في حين أن طور SiO2 غير متبلور ولم يتم الكشف طور ZrO2- تحليل عن طريق امتزاز النيتروجين BET ويعطي تصنيف هذه النظم حسب المساحة المحددة على النحو التالي:SiO2-TiO2> ZrO2-TiO2> TiO2-V2O5- أظهر تحليل FTIR بامتصاص بيريدين أن جميع الأنظمة الثلاثة لديها مواقع حمض لويس، في حين أن15%V2O5-TiO2 لديه بالإضافة مواقع برونستيد.درسنا أيضا تأثيرعدة عوامل التجريبية على تفاعل اكسدة الهكسن الحلقي بما في ذلك تأثير المذيب، كتلة المحفز، دراسة استقرار المحفز ودراسة الحركية التفاعل لتحسين المردودية و الانتقائية لإيبوكسيد.نتائج التفاعل المحفز تظهر أن:- تم الحصول على أفضل النتائج بوجود النظام V2O5-TiO2- أفضل المذيبات هي هيبتان والأسيتونيتريل لإعطاء فعالية جيدة وانتقائية عالية لإيبوكسيد.- تم الحصول على أفضل النتائج في حالة 100 و 150 ملغ مع تحويل 46 و 53٪ على التوالي. ولوحظ ان أفضل الانتقائية لإيبوكسيد (79٪) سجلت عند 100 ملغ من20 % V2O5-TiO2.رتبة تفاعل اكسدة الهكسن الحلقي في وجود 150 ملغ من 20 % V2O5-TiO2هي رتبة اثنين. المحفز 20 % V2O5-TiO2 هو مستقر خلال تفاعل تحفيز ومناسبة لإعادته عدة مرات.كلمات المفتاحية: سول جل، أكاسيد المختلطة، أكسدة الهكسن الحلقي، أوكسيد الهكسن الحلقي V2O5-TiO2, ZrO2-TiO2, SiO2-TiO2 ,

Les propriétés inattendues des nanoparticules d'or font que le contrôle de leur taille, de leur forme et/ou de leur morphologie devient essentiel pour une application ciblée. Des formes variées de nanoparticules en solution colloïdale ont été synthétisées. L'analyse de ces solutions par spectroscopie UV-Visible montre que les nanoparticules anisotropes ont deux bandes plasmoniques. Aussi, le potentiel zêta mesuré révèle que les solutions sont stables dans les conditions d'étude. La caractérisation par la microscopie électronique en transmission a permis d'observer que leur surface présente différentes orientations cristallographiques. Le dépôt sous potentiel du plomb par voltammétrie cyclique a révélé les sites cristallographiques à la surface de ces nanomatériaux. Ces matériaux présentent des proportions de surface orientée (111), (110) et (100) et de défauts cristallins en accord avec les résultats de microscopie. L'étude électrochimique dans l'électrolyte support montre que la formation des oxydes sur ces nanomatériaux dépend de leur structure. La cinétique de croissance des couches d’oxyde sur les nanobâtonnets d’or dépend fortement du potentiel, du temps de polarisation et de la température. Des différentes formes structurales des nanomatériaux d'or synthétisés et en présence de molécules modèles telles que le glucose et l'acide formique, les nanosphères présentent l'activité la plus forte pour l'oxydation du glucose ; tous les nanomatériaux sont moins actifs pour l'oxydation de l'acide formique. Les analyses par FTIR in situ mettent en évidence la gluconolactone comme intermédiaire de cette réaction et la forte influence de la structure de surface. / Due to the unusual properties of gold nanoparticles, the control of their size, their shape and/or their morphology for a well-targeted application becomes essential. Various shape controlled particles in colloidal solutions were synthesized. The analysis of such solution by UV-visible spectroscopy shows that the anisotropic particles exhibit two surface plasmon resonance bands. In addition, the zeta potential measurements reveal that such solutions are stable in the experimental conditions. It is clearly observed by the transmission electron microscopy characterization of these nanomaterials that their surface has different crystallographic orientations. The under potential deposition (upd) of lead by cyclic voltammetry revealed the surface crystallographic sites which present different ratio of orientated surface (111), (110), (100) and defaults confirming the microscopy results. The cyclic voltammetry in supporting electrolyte shows that the oxides formation on these nanomaterials depends strongly on their structure. On gold nanorods, an extensive study of the kinetic of the oxide layers growth shows that this process is affected by the polarization potential and time as well as temperature. The nanospheres exhibited high activity toward the glucose oxidation, while all the synthesized nanomaterials presented low activity toward the formic acid oxidation. Gluconolactone appears as the main intermediate species during the oxidation of glucose which is a surface structure dependent process.