Les oxydes forment une classe de matériaux qui couvrent un vaste spectre de fonctionnalités: diélectricité, semiconductivité, métallicité, supraconductivité, optique non linéaire, acoustique, piézoélectricité, ferroélectricité, ferromagnétisme... Dans cette thèse nous avons réalisé l'intégration d'oxydes sous forme de couches minces cristallines sur silicium, en utilisant l'épitaxie par jets moléculaires (EJM). Le premier objectif de la croissance d'oxydes cristallins sur silicium est de réaliser des isolateurs de grille à forte constante diélectrique pour les technologies CMOS avancées " sub-22nm ". L'utilisation de l'oxyde de gadolinium (Gd2O3) a été explorée en détail comme un candidat très prometteur pour remplacer l'oxyde de grille traditionnelle qu'est la silice (SiO2). La croissance épitaxiale de Gd2O3 sur le substrat Si (111) a été réalisée en identifiant les conditions de croissance optimale pour obtenir de bonnes propriétés diélectriques avec notamment l'obtention d'une valeur d'EOT de 0,73nm et des courants de fuite compatibles avec les spécifications de l'ITRS pour les nœuds " sub-22nm ". En outre, les propriétés diélectriques de Gd2O3 ont pu être améliorées en effectuant des recuits post-dépôts. L'autre intérêt d'avoir un empilement d'oxydes cristallins sur silicium repose sur leurs applications potentielles dans les technologies " Plus que Moore " ainsi que pour l' " Intégrations hétérogènes". Le système SrTiO3/Si (001) a été étudié comme un système modèle de l'intégration des oxydes sur semi-conducteur. La cristallinité, la qualité de l'interface oxyde-semiconducteur, l'état de surface et le processus de relaxation de STO déposé sur silicium ont été examinés et analysés, permettant de déterminer des conditions de croissance optimales. Plusieurs processus de croissance ont été réalisés et comparées. Finalement, une couche mince de STO de même qualité qu'un substrat massif a pu être obtenue sur silicium avec une bonne cristallinité et une surface atomiquement lisse. A partir des empilements de Gd2O3/Si et SrTiO3/Si, il a été possible d'intégrer sur silicium des oxydes possédant des fonctionnalités variées comme la ferro-(piézo-)électricité (BaTiO3, PZT et PMN-PT), le ferromagnétisme (LSMO) et l'optoélectronique (Ge). Ces couches minces fonctionnelles sur Si peuvent être alors largement utilisées pour des applications de stockage mémoire, les lasers et les cellules solaires, etc.

La miniaturisation des composants électroniques et en particulier celle d'une des "briques élémentaires" de la microélectronique, le transistor MOS, nécessite l'emploi d'un nouvel oxyde de grille en remplacement du traditionnel oxyde de silicium. En effet, cette grille tend à devenir tellement fine que les courants de fuite à travers celle-ci deviennent trop importants pour garantir un fonctionnement satisfaisant. Plusieurs oxydes à fortes permittivités on été identifiés pour remplacer le SiO2. Notre étude repose sur le développement d'un simulateur Monte-Carlo cinétique original au sein d'une approche multi-échelles, allant de la molécule au réacteur de dépôt. Des études ab initio contribuent à identifier les mécanismes réactionnels élémentaires avant de les intégrer dans le simulateur. Celui-ci peut alors gérer jusqu'à plusieurs millions d'atomes, sur des durées de l'ordre de la seconde. Atteindre ces échelles d'espace et de temps permet une confrontation directe avec les résultats expérimentaux et les simulations de type macroscopique. Après un tour d'horizon du contexte de l'étude et du cadre méthodologique, cette thèse expose la conception du simulateur Monte-Carlo en interaction avec les différentes contributions du projet européen « Hike » (5ème PCRD de l'Union Européenne): modélisation du substrat, simulation du procédé de croissance par monocouches atomiques (Atomic Layer Deposition), dynamique temporelle, mécanismes réactionnels élémentaires... La validation du logiciel a non seulement conforté la démarche adoptée mais aussi donné de précieuses informations concernant la réactivité du substrat, les mécanismes et la cinétique de croissance de plusieurs oxydes à fortes permittivités, en particulier l'oxyde d'hafnium.

Ce travail de modélisation représente l'une des premières tentatives d'exploitation de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité et de l'analyse topologique de la densité électronique pour rendre compte des processus de diffusion à l'échelle atomique dans les oxydes conducteurs ioniques. La méthodologie développée permet d'accéder aux différents facteurs susceptibles de régir le phénomène de transport de matière : effets de contrainte stérique (locale et à l'échelle de la maille du réseau), polarisabilité des espèces atomiques, transferts de charge, relaxation autour des défauts ponctuels, liaison chimique, .... Cette approche a été appliquée à l'étude du transport de l'ion oxygène dans différents électrolytes solides modèles (cérine et thorine) et dans le conducteur mixte La2NiO4+d. Au delà du cadre théorique, une approche expérimentale de ce processus à l'échelle microscopique a été initiée sur la base d'une étude par RMN de l' 17O.

Les catalyseurs sont des matériaux largement utilisés en chimie et particulièrement dans le domaine du raffinage pour convertir les produits lourds du pétrole peu valorisables en produits légers entrant dans le pool carburant (essence, kérosène ou gazole). L'amélioration de nouveaux supports peut être conduite par la synthèse de matériaux à morphologie contrôlée, par l'augmentation de la surface d'échange entre le catalyseur et le réactif ou encore par l'augmentation de la surface de contact des particules métalliques avec le réactif. L'amélioration et le développement de nouveaux matériaux nécessitent la mise en place d'outils analytiques performants permettant de suivre leur genèse. Dans le cadre de ce travail, nous avons développé une nouvelle méthodologie RMN basée sur la mesure des temps de relaxation transversale (durée de la disparition de l'aimantation transversale) et longitudinale (durée du retour de l'aimantation longitudinale). Nous avons pu montrer que cette technique permet de décrire finement, au cours de la synthèse, les paramètres caractéristiques des particules formées. Elle est applicable à des supports inorganiques amorphes, hiérarchiquement organisés ou cristallisé sur une large gamme de porosité de 4,5Å à 240nm. Elle permet d'accéder à : La texture des particules : rugosité (surface externe) et surface interne développée (micro, méso et macroporosité), la taille et la proportion de particules formées. Pour une famille de matériaux donnée, cette technique est particulièrement sensible à la composition de surface : proportion d'aluminium et d'hydroxyle

La première partie de ce travail concerne le greffage d'enzymes sur l'oxyde de nickel NiO et les oxydes de silicium SiO et SiO₂. Le greffage sur l'oxyde de nickel est obtenu après activation au chlorure de cyanuryle. L'enzyme test est l'uréase. Le greffage sur les oxydes de silicium est effectué en 2 étapes. Les oxydes ont d'abord été silanisés puis l'uréase et la butyrylcholinestérase sont respectivement greffées sur ces oxydes silanisés, par l'intermédiaire du glutaraldéhyde, SiO et SiO₂. Les méthodes de Lineweaver-Burk et Infra-Rouge à Transformée de Fourier sont utilisées pour l'exploitation des expériences, et la détermination des conditions optimales de travail (solvant, temps d'immobilisation,. . .). La seconde partie concerne la mise au point d'un biocapteur, basé sur une électrode en palladium/oxyde de palladium. L'uréase et la butyrylcholinestérase ont été immobilisées en surface par réticulation. Le greffage d'uréase en monocouche utilisant le chlorure de cyanuryle est aussi effectué. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux fournis par le greffage en multicouches. Les réponses de l'électrode à uréase greffée en monocouche et en multicouches ont été explicitées à l'aide d'un modèle théorique.

Cette étude porte sur la co-électrolyse de H2O et CO2 à 800°C dans une cellule à oxydessolides. Un modèle détaillé a été développé afin de rendre compte des phénomènesélectrochimiques, chimiques, thermiques et de transferts de matière, et introduisant unereprésentation macroscopique du mécanisme de co-électrolyse. Il permet d’estimer lesperformances et les compositions en sortie de cellule. Un protocole expérimental, visant àvalider les principales hypothèses de ce modèle, a été appliqué à deux types de cellulecommerciale à cathode support. À partir de courbes de polarisations, obtenues en électrolyseet en co-électrolyse, ainsi que d’analyses gaz, les densités de courant d’échange, illustrant lescinétiques électrochimiques, ont pu être estimées, et le mécanisme proposé a pu être validé.L’analyse des simulations a permis l’identification des processus limitant la co-électrolyse, laproposition de voies d’optimisation et l’établissement des cartographies de fonctionnement. / This work investigates the high temperature co-electrolysis of H2O and CO2 in Solid OxideCells. A detailed model was developed, encompassing electrochemical, chemical, thermal andmass transfer phenomena, and introducing a macroscopic representation of the co-electrolysismechanism. This model allows predicting the performances and outlet compositions in singlecell and stack environments. An experimental validation protocol was implemented on twotypes of commercial Cathode Supported Cells, ranging from polarization curves, obtained insingle and co-electrolysis modes, to micro gas analyses. These tests aimed both at determiningthe different exchange current densities, representative of the kinetics of electrochemicalreactions, and validating the simulated cell global behavior and mechanism proposed.Comprehensive analysis of the simulations led to the identification of limiting processes andpaths for optimization, as well as to the establishment of co-electrolysis operating maps.

Ce travail porte sur l'utilisation des déséquilibres radioactifs dans les échantillons de sols totaux, et des fractions minérales séparées. Les objectifs étaient d'évaluer : 1) l'impact d'un changement de végétation et de la granulométrie de la roche mère dans les sols sur les déséquilibres, 2) les phases minérales secondaires capables d'enregistrer des informations temporelles, et leur séparation chimique et 3) l’information temporelle portée par les minéraux primaires. Ce travail a mis en évidence sur le site de Breuil-Chenue que les couches les plus profondes du sol (< 40cm) ne montrent pas d’impact de la végétation ou de la granulométrie de la roche mère sur les déséquilibres radioactifs. Les faibles vitesses de production du sol (~1-2 mm/ka) obtenues reflètent la très faible érosion physique affectant ce site situé sur un plateau. La seconde partie de ce travail a permis d'identifier un protocole permettant d’extraire les oxydes de fer sans création de fractionnement chimique. Enfin, l'analyse de biotites d’un profil du même site a montré que les déséquilibres U/Th permettaient de déterminer de façon indépendante les vitesses d’altération in situ des minéraux dans les sols. / The aim of the present study was to evaluate weathering and soil formation rates using U-Th disequilibria in bulk soil or separated minerals. The specific objectives of this work were to evaluate the use of U-Th chronometric tools 1) regarding the impact of a land cover change and the bedrock characteristics 2) in selected secondary mineral phases and 3) in primary minerals. On the Breuil-Chenue (Morvan) site, no vegetation effect neither a grain size effect was observed on the U-Th series in the deepest soil layers (< 40cm). The low soil production rate (1-2 mm/ka) is therefore more affected by regional geomorphology than by the underlying bedrock texture. In the second part of this work, based on a thorough evaluation of different technics, a procedure was retained to extract Fe-oxides without chemical fractionation. Finally, the analysis of biotites hand-picked from one of the studied soil profile showed that U- series disequilibria allow to independently determinate the field-weathering-rate of minerals.

La compagnie minière ArcelorMittal Mines Canada exploite, à Mont-Wright près de la ville de Fermont, un gisement contenant principalement de l’hématite (Fe2O3) comme minéral de valeur et de la silice (SiO2) comme gangue. Le minerai extrait de la mine est concassé puis broyé et les minéraux de fer sont concentrés par des spirales. Le concentré est ensuite envoyé par train à l’usine de boulettage de la ville de Port-Cartier. Une partie du concentré est vendu comme tel et l’autre partie est traitée pour produire des boulettes d’oxyde de fer pour les aciéries. Pour certains types de boulettes, la teneur en silice du concentré doit être abaissée à moins de 1.2 à 1.4%. Pour obtenir la teneur en silice exigée par les clients (aciéries), l’usine de boulettage se sert des classificateurs hydrauliques. L’objectif du projet de maîtrise est d’étudier le fonctionnement du classificateur hydraulique afin d’identifier le rôle et l’effet des variables opératoires (meilleur contrôle) et ultimement de proposer un modèle pour cet équipement. Plusieurs essais ont été effectués sur les classificateurs hydrauliques de l’usine de boulettage d’ArcelorMittal en vue d’observer l’impact des variables opératoires sur la densité du lit de pulpe et les variables de sortie (distribution granulométrique et composition chimique) du classificateur, mais surtout sur les variables de performance (rendement poids et teneur en silice à la sousverse) de cet équipement. Le fonctionnement du classificateur hydraulique a été étudié à partir des courbes de partage des minéraux, une approche qui n’a pas été utilisée souvent dans la littérature portant sur ces appareils. Les données tirées de ces campagnes d’échantillonnage ont permis de calibrer un modèle empirique et de simuler, d’une manière simplifiée, l’opération du classificateur hydraulique. Ces données ont finalement permis de constater que cet appareil, d’opération à première vue simple, est en fait complexe et que le développement d’un modèle phénoménologique est nécessaire pour arriver à pouvoir établir des stratégies de commande efficaces afin de réguler le fonctionnement du classificateur. / The mining company ArcelorMittal Mines Canada operates in Mont-Wright near the town of Fermont, an ore deposit consisting mainly of hematite (Fe2O3) as a valuable mineral and silica (SiO2) as gangue. The extracted ore from the mine is crushed and then ground and iron minerals are concentrated by spirals. The concentrate is then sent by train to the pelletizing plant in the city of Port-Cartier. A portion of the concentrate is sold as is and the other part is treated to produce iron oxide pellets for steel mills. For certain types of dumplings, the silica content of the concentrate should be reduced to less than 1.2 to 1.4%. For having the silica content required by customers (steelworks), the pellet plant uses hydraulic classifiers. The objective of the project is to study the operation of the hydraulic classifier to identify the role and effect of process variables (for a better control) and ultimately to propose a model for this equipment. Several tests were carried out on the hydraulic classifiers of pelletizing plant of ArcelorMittal to observe the impact of process variables on the density of the pulp bed and output variables (particle size distribution and chemical composition) of the classifier but especially on performance variables (weight yield and silica content in the underflow) for this equipment. The operation of the hydraulic classifier has been studied from the minerals sharing curves, an approach that has not been used frequently in the literature on these devices. Data from these sampling campaigns were used to calibrate an empirical model and simulate, in a simplified manner, the operation of the hydraulic classifier. These data have finally allowed to find that this device, operation of which is simple at first view, is actually complex and the development of a phenomenological model is necessary to arrive at strategies to establish effective control to regulate the operation of classifier.

La photodégradation du bêta-estradiol (E2), un perturbateur chimique endocrinien, est réalisée en présence d'un complexe de fer, d'argiles et d'un oxyde de fer. L'impact d'un agent complexant du fer l'acide éthylénediamine-N,N'-disuccinique (EDDS) est aussi étudié. Après la détermination des propriétés physico-chimiques du complexe Fe(III)-EDDS, les rendements quantiques de formation des °OH et de dégradation de E2 ont été évalués en fonction de différents (pH, [O2], [Fe(III)-EDDS], [Fe(III)]. Pour la première fois, les rendements quantiques de production d'°OH ont été mesurés via la photolyse du complexe Fe(III)-EDDS en utlilisant l'acide téréphtalique comme sonde. Dans une seconde partie, les processus d'adsorption et de dégradation photocatalytique de E2 dans des suspensions de Montmorillonite KSF, de Montmorillonite naturel et de Goethite sont étudiés. L'adsorption de E2 sur les minéraux est rapide et faible. La vitesse de photodégradation de E2 est influencée par la concentration en minéraux et le pH. Le processus de dégradation photocatalytique de E2 dans ces systèmes a par la suite été étudié en présence d'EDDS. Dans les trois suspensions et en présence d'EDDS, la photodégradation de E2 augmente significativement dans la zone de pH neutre et basique (de 5,0 à 9,0). Au contraire, sans EDDS le pH optimal est limité aux pHs acides ( entre 3,0 et 4,0). Les cinétiques de dégradation de E2 suivent une loi de vitesse du modèle Langmuir-Hinshelwood pour les trois systèmes. Sur la base de nos résultats, il est possible de conclure que les systèmes EDDS-Fe(III)/minéraux sont photocatalytiquement efficaces pour l'élimination de polluants dans l'eau

Le smog photochimique est un phénomène qui prend de l'ampleur dans les grandes villes industrialisées. Il est la cause de plusieurs maladies respiratoires. Son apparition provient majoritairement des polluants émis par les véhicules automobiles, soit les hydrocarbures et les oxydes d'azote. Le rayonnement du soleil interagit avec ces espèces chimiques et le dioxygène présent dans l'atmosphère pour mener à une production d'ozone troposphérique importante. L'ozone en basse altitude endommage les écosystèmes et est nocif pour la santé humaine. Le sujet de recherche est d'abord axé sur la réaction limitante du processus qui crée le smog photochimique : la photolyse du dioxyde d'azote. Quoique cette réaction est assez bien connue dans la littérature en phase gazeuse, les données expérimentales en phase condensée sont manquantes. Les travaux ont été effectués dans le but de combler le manque d'information à ce sujet. En premier lieu, les conditions optimales pour l'isolation du NO[indice inférieur 2] par matrice de gaz rare ont été déterminées. Par la suite, l'irradiation des échantillons du mélange NO[indice inférieur 2] et gaz rare a été effectuée. Par spectroscopie infrarouge à angle rasant, il a été possible de suivre l'évolution de la destruction des molécules de NO[indice inférieur 2] en fonction du temps. Différentes hypothèses sont émises afin d'interpréter les données de cinétique obtenues. Ces hypothèses sont alors testées à partir d'expériences sous-jacentes ou expliquées selon des principes théoriques. Finalement, un modèle exprimant le profil du champ électrique à l'intérieur de films minces a été construit. Ce modèle s'inspire des effets d'interférences observés par spectroscopie d'absorption-réflexion. En guise de conclusion, une proposition d'expérience pour supporter le modèle du champ électrique est décrite. La portée du modèle s'étend à tous les processus impliquant un rayonnement lumineux sur une surface réfléchissante. Bien qu'il serve principalement à expliquer le taux de photolyse observé dans le cadre du projet de maîtrise, le modèle est applicable à plusieurs spectroscopies en réflexion.