Cette thèse présente une étude des électrons, trous, et excitons confinés dans des boîtes quantiques InAs/GaAs, en prenant en compte leur couplage avec les phonons longitudinaux optiques (LO) du réseau cristallin. Nous montrons que les porteurs confinés dans les boîtes quantiques sont en régime de couplage fort avec ces phonons, et que la conséquence de ce couplage est la formation de particules mixtes porteur-phonon, appelées polarons.<br /><br />Dans un premier temps, l'interaction électron-phonon ainsi que trou-phonon est étudiée expérimentalement par spectroscopie dans l'infrarouge lointain (50-700 cm-1) sous champ magnétique intense (0-28 T). L'intérêt d'un champ magnétique est de déplacer les transitions électroniques, afin de les amener en résonance avec les phonons, là où les effets du couplage sont le plus évidents. Pour interpréter les résultats expérimentaux, nous avons calculé le couplage entre les états électroniques et les états de phonons LO en utilisant l'Hamiltonien de Fröhlich. On détermine ainsi les états polarons et les forces d'oscillateurs, qui sont en bon accord avec les résultats expérimentaux.<br /><br />Dans un deuxième temps, nous étudions le couplage des paires électron-trou ou excitons avec les phonons LO. Les transitions interbandes sont sondées dans des expériences de magnetophotoluminescence pour des champs magnétiques allant jusqu'au 28 T. A cause des fluctuations de taille, de composition, et de forme des boîtes quantiques auto-organisées, les pics de photoluminescence sont élargis d'une façon inhomogène. Pour minimiser cet élargissement, des expériences de photoluminescence résonante et d'excitation de la photoluminescence sont effectuées, pour lesquelles un sous-ensemble de boîtes homogènes est sélectionné. Nous calculons les états de polarons excitoniques, ce qui nous permet de déterminer le spectre d'absorption des boîtes quantiques. Un bon accord théorie-expérience est obtenu.

Ce manuscrit rapporte différentes études expérimentales de collisions sous incidence rasante rasantes (<3 deg.) d'atomes et d'ions de H^+, Ne^+, Ne^0 , Na^+...à des énergies voisines du keV avec une surface mono-cristalline d'isolant ionique, le fluorure de lithium LiF(100). Le faisceau incident est pulsé et les particules diffusées sont recueillies sur un détecteur sensible en position procurant les sections efficaces différentielles tandis que temps de vol détermine la perte d'énergie. L'analyse de l'état de charge se fait par un déflecteur électrostatique. Les électrons secondaires sont détectés en coïncidence permettant une mesure de leur temps de vol et donc de leur énergie. On mesure également le rendements d'émission électronique et la distribution angulaire. La structure électronique de ce type de cible, caractérisée par la présence d'une large bande interdite, affecte profondément les mécanismes d'échange de charge, d'excitation électronique et d'émission électronique. Ces études mettent en évidence la création de d'états excités de la cible "excitons de surface" qui contribuent fortement au pouvoir d'arrêt. La neutralisation Auger des ions He^+ et Ne^+ est accompagnée de la population d'excitons délocalisés sur deux lacunes électroniques: des "trions". L'énergie de liaison de ces états est directement déterminée à partir des bilans d'énergie. Deux mécanismes de perte d'énergie nucléaire sont également mesurés. Ces processus impliquent un transfert de moment soit vers un seul atome de la cible lors de collisions rapprochées (collisions binaires) soit, si le projectile est chargé, vers les modes collectifs de phonons optiques par l'intermédiaire du champ coulombien du projectile. L'effet observé de la température sur le profil de diffusion, la contribution des défauts topologiques de la surface au profil de perte d'énergie et a l'effet ricochet sont analysés par des simulations de trajectoire classique.

Les cristaux para'electriques quantiques sont des<br />di'electriques qui devraient ?etre ferro'electriques<br />en dessous de la temp'erature de Curie­Weiss Tc .<br />Que se passe­t­il ? A basse temp'erature, les<br />fluctuations ferro'electriques sont contr?ol'ees par<br />un mode de vibration transverse optique (TO),<br />dit ferro'electrique qui devient mou (sa fr'equence<br />diminue) au centre de la zone de Brillouin lorsque<br />la temp'erature d'ecro?it. Mais pour T ! T q ¸ Tc ,<br />le fort mouvement quantique de point z'ero de l'ion<br />central (Ta dans KTaO3) emp?eche la condensation<br />du mode ferro'electrique, dont la fr'equence se sta­<br />bilise `a basse 'energie. La constante di'electrique<br />ffl sature `a une tr`es grande valeur, et un fort cou­<br />plage avec le mode transverse acoustique devient<br />visible.<br />En 1991, K.A. M¨uller, d'apr`es une 'etude RPE,<br />envisage une transition de phase d'un nouveau<br />type dans ces mat'eriaux. B. Hehlen et E.<br />Courtens s'int'eressent alors aux propri'et'es basses<br />fr'equences du SrTiO3 et du KTaO3 . Les 'etudes<br />de diffusion neutronique, mais surtout Brillouin,<br />montrent alors, parmi les nombreuses anomalies,<br />une nouvelle excitation tr`es basse fr'equence, qu'ils<br />attribuent au second son, la propagation ondula­<br />toire de la chaleur.<br />Ce travail pr'esente des r'esultats originaux<br />obtenus en diffusion neutronique et Brillouin `a<br />basse temp'erature (5­300 K). Une param'etrisation<br />des nappes de phonons dans KTaO3 a servi de<br />base au calcul de la largeur normale des phonons,<br />de la vitesse th'eorique du second son, dans le cas<br />o`u il serait effectivement observable, et du spectre<br />complet de diffusion Brillouin par des processus de<br />diff'erence de deux phonons. La comparaison des<br />simulations avec l'exp'erience montre un bon ac­<br />cord pour le calcul des largeurs et des nappes, et le<br />processus physique observ'e en spectroscopie Bril­<br />louin est probablement celui de diff'erence de deux<br />phonons. Les diff'erents aspects de la dynamique<br />des phonons basse fr'equence peuvent ?etre unifi'es<br />au sein d'une th'eorie de diffusion Brillouin au sec­<br />ond ordre.<br />Mots clefs : phonons, para'electriques quan­<br />tiques, second son, anharmonicit'e, diffusion neu­<br />tronique, spectroscopie Brillouin, mod'elisation et<br />simulation num'erique, KTaO3 , SrTiO3 .

La connaissance de la structure thermique interne de la Terre est essentielle pour mieux appréhender les phénomènes géologiques observables à la surface du globe. Cette structure thermique est déterminée par les échanges thermiques conductifs et convectifs au sein du manteau. Ces derniers sont essentiellement contrôlés par les propriétés de transport thermique des roches du manteau. Le travail de thèse propose une étude de ces propriétés par la détermination expérimentale de la diffusivité thermique à haute température et haute pression. Pour cela, des mesures de diffusivité thermique sur monocristaux et agrégats naturels d'olivine (roches) ont été conduites à l'aide de trois méthodes de mesures, dont l'une a été élaborée à Montpellier. Les mesures sur monocristaux montrent une forte anisotropie de la diffusivité thermique et une contribution significative du rayonnement au transport thermique à haute température. Les mesures sur des péridotites déformées naturellement montrent que l'orientation préférentielle des cristaux d'olivine conduit à une anisotropie significative (25%) de la diffusivité thermique, qui se conserve à haute température. La comparaison entre le comportement des monocristaux et des agrégats d'olivine suggère que la contribution des phonons à la diffusivité thermique n'est pas affectée par les joints de grain ou les imperfections de la roche et que bien que diminuée par l'effet des joints de grains, la contribution radiative demeure significative à l'échelle de la roche. La diffusivité thermique résultante dans les conditions du manteau est proche de 1.5 mm2.s-1, et elle est 50% plus élevée que celle déduite des études antérieures. La modélisation des géothermes dans divers contextes géodynamiques montre que des valeurs réalistes de la contribution des phonons, ajoutées à une contribution radiative significative et une anisotropie de la diffusivité thermique peuvent avoir un effet majeur sur la dynamique de la lithosphère et du manteau convectif.

Ces dernières années, les nanocristaux (NCs) semi-conducteurs ont reçu un intérêt grandissant pour deux raisons principalement. D'une part, ces objets possèdent des tailles qui se situent entre celles des molécules et des matériaux cristallins. Leur étude d'un point de vue fondamental est par conséquent utile pour mieux comprendre les propriétés de la matière condensée en fonction de la dimension des objets étudiés . En particulier, les NCs de chalcogénures de plomb possèdent une constante diélectrique élevée (ε∞=23 pour PbSe) et des porteurs de charges ayant des faibles masses effectives, conduisant à la formation d'excitons avec un large rayon de Bohr effectif. De ce fait, ce sont des objets de choix pour étudier le régime de fort confinement quantique. D'autre part, la miniaturisation des composants électroniques nécessite l'utilisation d'objets semi-conducteurs aux dimensions de plus en plus petites, avec des coûts de fabrication les plus bas possibles. Les NCS semi-conducteurs, dont les synthèses chimiques sont généralement simples, répondent à cet enjeu et un certain nombre d'applications tirent avantage de leurs propriétés optiques. Dans la première partie de cette thèse, la méthode de synthèse des NCs de PbSe est décrite. Grâce à l'utilisation de plusieurs techniques de caractérisation (microscopies électroniques, diffraction des rayons X (XRD), diffraction électronique (SAED)), l'optimisation de cette méthode a conduit à l'obtention de NCs monodisperses en taille et possédant une structure cristalline parfaite. Dans un second temps, des études plus fines en spectroscopie Raman ont confirmé la qualité structurale des NCs. Elles ont aussi permis d'étudier les effets de confinement sur le spectre des phonons optiques longitudinaux. Enfin, les NCs de PbSe se détériorant rapidement à l'air, des structures coeur coquille ont été élaborées pour réaliser de l'ingénierie de bande dans des NCs à hétérostructures. En utilisant le rayonnement synchrotron et après avoir développé des techniques de dépôt de films ultra minces de NCs coeur-coquille PbSe/CdSe, la discontinuité de la bande de valence de ces structures a été étudiée par spectroscopie de photoélectrons.

Dans les matériaux multiferroïques présentant un couplage magnéto-électrique, il est possible de contrôler l'état magnétique par l'application d'un champ électrique et inversement. Les matériaux multiferroïques de type I présentent des transitions de phase ferroélectrique et de mise en ordre magnétique décorrélées. Dans les matériaux de type II, la ferroélectricité est induite par un ordre magnétique. Malgré l'existence de nombreux modèles, les mécanismes microscopiques du couplage magnéto-électrique restent aujourd'hui mal connus. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié les mécanismes présidant le couplage magnéto-électrique à l'aide de calculs ab-initio sur deux matériaux multiferroïques : YMnO3 (type I) et MnWO4 (type II). Nous avons développé une méthode visant à évaluer le couplage magnétique en fonction d'un champ électrique appliqué. Nous avons également déterminé l'influence du magnétisme sur les spectres de phonons. Pour le composé YMnO3, le couplage spin-orbite est négligeable dans le couplage magnéto-électrique et ce dernier est principalement gouverné par des effets électrostrictifs et magnétostrictifs. Pour le composé MnWO4, bien que la contribution de l'interaction de spin-orbite soit calculée faible dans l'amplitude du couplage magnéto-électrique, cette dernière est cruciale à la multiferroïcité de ce matériau par la structure magnétique qu'elle impose. Nous avons déterminé que les déplacements atomiques engendrés par l'application d'un champ électrique sont les amplificateurs de cette dernière interaction dans l'intensité du couplage magnéto-électrique de MnWO4.

La technique originale de spectroscopie par saturation d'absorption, dite holeburning spectral, est mise en oeuvre pour étudier l'élargissement homogène de transitions optiques à 1,55 μm dans deux types de nanostructures. Pour les boîtes quantiques GaN/AlN, notre expérience constitue la première mesure directe de la largeur homogène de la transition intrabande s − pz. Des études en puissance démontrent le rôle prédominant des processus Auger dans la relaxation de population des niveaux. Le profil spectral d'absorption homogène s'avère gaussien. La forte augmentation de la largeur homogène entre 5K et 30K suggère des mécanismes de décohérence autres que le couplage aux phonons acoustiques, comme la diffusion spectrale. Dans le cas des nanotubes de carbone, notre dispositif expérimental permet d'étudier finement l'évolution du spectre d'absorption homogène de la transition électronique fondamentale sur une large gamme de puissance et pour des températures allant de 5K à 300 K. Les études en puissance mettent en évidence quantitativement la contribution prédominante de l'élargissement collisionnel et la contribution marginale de la réduction de force d'oscillateur au signal nonlinéaire. Deux processus d'interaction à deux excitons sont analysés : l'annihilation exciton-exciton (EEA) et la diffusion exciton-exciton (EES), et nous révélons la nature hybride Wannier-Frenkel particulière des excitons dans les nanotubes de carbone. Finalement, nous étudions le déphasage assisté par phonons et nous mettons en évidence les caractéristiques du couplage exciton-phonon, liées au caractère unidimensionnel.

Cette thèse concerne l'étude du rôle des électrons, des phonons et de leur dynamique dans les transitions de phase de deux systèmes fortement corrélés, le composé prototype de Mott (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 et le pnicture de fer supraconducteur Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2. Ces systèmes ont été étudiés grâce à deux techniques complémentaires, la spectroscopie de photoélectrons et la réflectivité pompe-sonde. Les mesures de réflectivité transitoire dans (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 ont permis de mettre en évidence un durcissement photo-induit du réseau cristallin, dû à la modification ultra-rapide (à l'échelle femtoseconde) de la structure électronique du matériau. La mesure de phonons optiques et acoustiques cohérents a permis de montrer le lien entre excitation électronique, propriétés réticulaires et corrélations électroniques. Des mesures de photoémission résolue spatialement à l'échelle microscopique ont également permis, dans certaines parties du diagramme de phases, la visualisation de domaines isolants de Mott et métalliques. Concernant Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2, la première mesure d'un phonon optique cohérent dans un pnicture de fer a permis d'interpréter la relaxation électronique transitoire de ce système comme gouvernée par un couplage électrons-phonons sélectif. La valeur du couplage électrons-phonons déterminée par cette méthode, lambda=0.12, est trop faible pour que la supraconductivité de ce système soit médiée par les phonons. La structure électronique de Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2 a été mesurée par photoémission résolue en angle à basse énergie de photon, permettant une résolution en énergie et en vecteur d'onde optimales. La dispersion des bandes autour du centre de la zone de Brillouin ainsi que leur symétrie ont ainsi été déterminées, et la modification de structure électronique induite par la transition supraconductrice a été mesurée. Cette dernière consiste en un transfert de poids spectral inter-bandes et l'ouverture de gaps sélectifs, reflétant le caractère complexe de la structure électronique des supraconducteurs multi-bandes.

The broad theme of the present research investigation is on the preparation and characterization of the ultra thin films. The emerging field of nano science and technology demands the realization of different materials in nanometer dimension and a comprehensive understanding of their novel properties. Especially, the properties of the semiconducting materials in the nano dimensions are quite different from their bulk phase. A phase transition from semimetalic to semiconducting nature occurs at a thickness < 5nm of Sb ultra thin films. These facts emphasize the need for preparing these materials as nano layers and studying their properties as a function their size. Among the various characterization methods available to study the structure and the interfaces, Raman spectroscopy has proved to be a useful technique. In addition to revealing the structural information, Raman spectroscopy can bring out the quantum size effects in the lattice vibrational spectra of lower dimensional solids, stress state of the film in the initial growth stages, chemical nature of materials etc. Raman spectroscopy studies on the quantum structure of Ge and Sb are limited. This is attributed to the two serious limitations of the conventional backscattering of Raman signal. 1. The back scattered Raman signal intensity from the ultra thin layer could be below the detection limit. 2. The lower penetration depth of the lasers could inhibit the information from the buried layers. These limitations could be overcome to a major extent by employing an optical interference technique called IERS. This is basically an anti-reflection structure consisting minimum of three layers. These three layers are essential for achieving the interference conditions. The thicknesses of each layer were calculated using a matrix method. IERS structure consists of 1. A reflecting layer at the bottom of the stack (Platinum or Aluminum) 2. The second layer which is grown above the reflecting layer is a transparent dielectric layer, which introduces the necessary phase shift and hence it is called phase layer.(SiO2 or CeO2) 3. The top ultra thin layer which is to be investigated (Ge or Sb), is grown over the dielectric film and it is the layer which absorbs the most of the incident exciting light and it is called the absorbing layer. In this trilayer structure the thickness of the phase layer and the absorbing layer are adjusted in such a way that the light reflected from the air-ultra thin layer interface and the dielectric-reflector interface are equal in amplitude but opposite in phase. This leads to the destructive interference and a perfect anti-reflection condition is achieved. This enhances the near surface local field and results in the enhanced Raman signal. Regarding the reflection layer, thermally evaporated Al films were used. But the surface studies revealed a large surface roughness of 2.7nm for area of 2 µm×2µm. Also Al is known to react with oxygen and formation of an oxide layer is favored. In an effort to overcome these problems, a platinum layer was chosen instead of Al as a reflecting layer. Dual ion beam sputter deposition was employed to prepare the platinum films and to study the surface property of the films prepared at different secondary ion current density. Thus the process parameters to get the Pt film with the required surface properties were optimized. To prepare the required phase layer, optical thin films of Ceria were used. The optical and structural property of ceria is found to be sensitive to the process parameters. Hence a new deposition technique for preparing the CeO2 thin films was adopted. This technique is called Dual ion beam Sputter Deposition (DIBSD). This technique involves, two ion sources (Kaufman type). One source is used to sputter the target, which is called the primary ion source and the other one is used to assist the growing film, which is called the secondary ion source. Both argon and oxygen were fed into the secondary ion source and oxygen ions in the mixture of the gases (Ar +O2) react with the growing film and the oxygen stoichiometry in the film is maintained. Also the secondary ion bombardment of the growing film helps in the densification and it leads to the increase in the refractive index of the ceria films. The films were found to grow with a preferential orientation along (111) direction. The optical properties of the films were studied by using the transmission spectra of the films from the spectrophotometer. Powder X-Ray diffraction, and Raman spectroscopy, were employed to study the structural properties. Atomic Force Microscopy was used to examine the surface topography and to estimate the surface statistics. A stress free ceria film with a high refractive index of 2.36 at 600nm was prepared for a secondary ion beam current density of 150µA/cm2 and a beam energy of 150 eV. Raman spectra and X-ray diffraction data of these films have revealed the formation of point defects in these films as a function of secondary ion current density. Germanium (Ge) ultra thin layers were prepared by using Ion Beam Sputter Deposition (IBSD) as this technique has a good control over the rate of deposition apart from various other advantages. The Ge ultra thin films were prepared on the multilayer stacks with Al or Pt as a reflecting layer. The germanium films were prepared for the various thicknesses ranging from 1-10 nm. These films were prepared on the multilayer stack of reflecting layer and phase layer. The films were prepared for the different substrate temperatures from 40 °C to 300 °C. The films thus prepared have been analyzed by Interference Enhanced Raman Spectroscopy (IERS) for the structural and quantum size effects, by RBS for the thickness and to study interface diffusion, and Atomic Force Microscopy (AFM) for the analysis of nano structure of the grown films and also for the surface statistics. The thickness of the Ge films was found to be same as that had been calculated from the rate of deposition of the films. The films showed increase in the grain sizes with increase in the thickness of the films. The nanostructure of the films from AFM images confirms this observation. IERS of the films shows the transition from the compressive to stress free nature of the film for the nominal thickness of 1 & 2 nm. The quantum size effects of the films show the asymmetric broadening and peak shift and these observations were studied using the spatial correlation model. The TEM studies on the samples with Pt as a reflecting layer show influence of the underlying layer of CeO2 by the formation Moiré fringes. Antimony (Sb) films were prepared for the different thicknesses (3-10nm) and at different substrate temperatures (40 °C - 200 °C) on the Pt/CeO2 multilayer stacks as the absorbing layer. IERS studies on the films were performed and the results are as follows. Sb films show crystallization with increase in thickness from 3nm to 4nm. The films show amorphous to crystalline transition for the substrate temperature of 200 °C. Quantum size effects on the samples due to the phonon confinement were analyzed by the spatial correlation model. The atomic force microscopic measurements for the nanostructural information on the samples showed that the grain sizes of the films increase with increase in the thickness. Also the surface morphology shows a definite change in the features for the transition of amorphous to crystallization phase. Chapter 1 introduces the importance of Ge and Sb in the present day technologies. The current state of research on these two materials has been discussed. The importance of ceria and Pt films has been highlighted in the context of IERS and for the applications elsewhere. The advantages and disadvantages of ion beam sputter deposition have been described. The importance of Raman spectroscopy as a characterization tool for the nano structures has been shown in this chapter along with an introduction on Raman spectroscopy. Also, the importance of the other complimentary characterization techniques has been discussed. Chapter 2 presents the experimental details used to deposit and characterize the thin films. Details of IBSD and DIBSD processes are given. The characterization pertaining to structural, surface, optical and compositional properties are dealt in detail. Method to compute the optical constants of a transparent film is also given. Chapter 3 presents the properties of reflecting layers. Structural, surface and the compositional (presence of Ar ion) properties of the DIBSD platinum thin films are presented. Chapter 4 presents the optical, structural and surface properties of DIBSD ceria thin films as a function of process parameters. Chapter 5 deals with the growth and Raman analysis of ultra thin Ge films with Al and Pt as reflecting layers. Chapter 6 deals with the growth and Raman analysis of ultra thin Sb films. Chapter 7 gives the summary of the thesis and the future scope of the work.

In this thesis, quantum-mechanical calculations within density-functional theory on metallic systems are presented. The overarching goal has been to investigate effects of disorder. In particular, one of the properties investigated is the bindingenergy shifts for core electrons in binary alloys using different theoretical methods. These methods are compared with each other and with experimental results. One such method, the so-called Slater-Janak transition state method relies on the assumption that the single-particle eigenvalues within density-functional theory are linear functions of their respective occupation number. This assumption is investigated and it is found that while the eigenvalues to a first approximation show linear behavior, there are also nonlinearities which can influence the core-level binding energy shifts. Another area of investigation has been iron based alloys at pressures corresponding to those in the Earth’s inner core. This has been done for the hexagonal close packed and face entered cubic structures. The effects of alloying iron with magnesium and nickel on the equation of state as well on the elastic properties have been investigated. The calculations have shown that the hexagonal close packed structure in FeNi is more isotropic than the face-centered cubic structure, and that adding Mg to Fe has a large impact on the elastic properties. Finally, the effects of disorder due to thermal motion of the atoms have been investigated through ab-initio molecular dynamics simulations. Within the limits of this method and the setup, it is found that the face-centered cubic structure of molybdenum can be dynamically stabilized at high temperature, leading to a metastable structure, on the average. The dynamical stabilization of face-centered cubic molybdenum also rendered it possible to accurately calculate the lattice stability relative to the body-centered cubic phase. Inclusion of temperature effects for the lattice stability using ab-initio molecular dynamics simulations resolves the disagreement between ab-initio calculations and thermochemical methods.