Ce travail de thèse est surtout consacré à l'étude du ferromagnétisme dans les systèmes désordonnés, en particulier les semiconducteurs magnétiques dilués (DMS). Le formalisme utilisé, basé sur les fonctions de Green à température finie, est très général pour l'étude du magnétisme et du transport dans ces systèmes. Dans un premier temps, il est montré que l'approche champ moyen - RKKY (MF-RKKY) souvent utilisée n'est pas appropriée pour décrire les propriétés magnétiques des systèmes dilués. Un meilleur traitement du Hamiltonien de Heisenberg RKKY dans le cadre de la théorie RPA locale auto cohérente (SC-LRPA) a permis de montrer en particulier que l'approche MF-RKKY surestime largement les températures critiques ainsi que l'étendue de la zone de stabilité du ferromagnétisme. Dans un second temps on étudie le modèle non perturbatif « V-Jpd » par diagonalisation exacte pour chaque configuration de désordre et on calcule explicitement les échanges magnétiques. En dehors de la limite perturbative, ces échanges n'ont pas le caractère RKKY. Ensuite, le Hamiltonien de Heisenberg effectif est traité dans le cadre de la théorie SC-LRPA. Cette approche en 2 étapes montre en particulier (i) l'importance du désordre et des fluctuations thermiques et transverses et (ii) que le potentiel coulombien V joue un rôle crucial pour comprendre l'origine du ferromagnétisme dans les DMS. Ce modèle minimal tient compte de la percolation et des diffusions multiples des porteurs itinérants sur les impuretés et permet d'unifier la description des DMS. Enfin, une étude numérique des effets de taille finie et de l'importance de l'échantillonnage statistique a permis de montrer les insuffisances sévères du traitement Monté Carlo « complet » du modèle dilué « V-Jpd ». Ce modèle microscopique permet de combler le fossé entre les approches modèles trop simplistes et celles basées sur les calculs ab initio.

Des puits quantiques à base d'hétérostructures In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48 As, fabriqués par épitaxie par jets moléculaires sur substrats InP(111)A, sont étudiés par microscopie et spectroscopie à effet tunnel à basse température et sous ultra-vide. La première partie est consacrée à une étude de la surface épitaxiée (111)A de In0.53 Ga0.47 As de type n. Il est découvert que le niveau de Fermi de surface est positionné dans la bande de conduction, à proximité du niveau de Fermi de volume, et peut être partiellement contrôlé en variant la concentration d'impuretés de type n dans le volume. Ce résultat est confirmé en déterminant la relation de dispersion de la bande de conduction en surface. Un tel dépiégeage partiel du niveau de Fermi de surface indique que la densité d'états de surface accepteurs est faible. Il est proposé que ces états proviennent de défauts ponctuels natifs localisés à la surface. La deuxième partie, basée sur les résultats obtenus dans la première partie, est consacrée à une étude de puits quantiques In0.53 Ga0.47 As de surface, déposés sur des barrières In0.52 Al0.48 As selon la direction (111)A. Les mesures sont conduites sur la surface épitaxiée (111)A du puits quantique In0.53 Ga0.47 As, de manière à pouvoir sonder à l'échelle du nanomètre la distribution de densité locale d'états électroniques dans le plan du puits quantique. Il est confirmé que des sous-bandes électroniques sont formées dans le puits quantique, et que la concentration d'électrons dans le puits peut être contrôlée du fait du dépiégeage partiel du niveau de Fermi de surface. Il est découvert qu'un phénomène de percolation d'états localisés survient dans la queue de chaque sous-bande, ce qui indique la présence d'un potentiel désordonné dans le puits quantique. Les seuils de percolation sont déterminés en utilisant un modèle semi-classique. L'origine du potentiel désordonné est attribuée à une distribution aléatoire des défauts ponctuels natifs à la surface du puits quantique. Il est également découvert qu'un état lié apparaît au bas de chaque sous-bande à proximité d'un défaut ponctuel natif de type donneur. L'énergie de liaison et le rayon de Bohr des états liés peuvent être directement déterminés. De plus, il est démontré que l'énergie de liaison et le rayon de Bohr sont fonctions de l'épaisseur du puits quantique, en accord quantitatif avec des calculs variationnels d'impuretés dans le modèle de l'atome d'hydrogène.

Les propriétés de transport linéaire et certaines lois de comportement non linéaires des milieux désordonnés sont étudiées à la lumière de progrès récents de la physique statistique des milieux hétérogènes. Une emphase particulière est mise sur les situations où les approches d'homogénéisation sont inapplicables dans la mesure où le concept même de volume élémentaire représentatif est pris en défaut. Nous utilisons en revanche les notions de point critique, de lois d'échelle, d'exposant critique, de fractals, et de structures auto-affinés à propos de nombreux modèles introduits et discutés. Sont successivement considérés, la théorie de la percolation de connexité et de forces centrales, la théorie des chemins minimaux, et finalement certains modèles de rupture fragile de milieux inhomogènes. Dans tous ces cas, le rôle joué par le désordre tant géométrique que dans les propriétés des constituants élémentaires, est souligné. Une place importante est réservée à une revue de nombreux résultats publiés dans la littérature ainsi qu'à des simulations numériques les concernant.

Parmi les méthodes de la théorie du groupe de renormalisation, les développements en epsilon sont basés sur des calculs dans l'espace réciproque et permettent de calculer les exposants critiques associés aux transitions magnétiques du second ordre pour des valeurs non entières de la dimension d'espace. Une interprétation physique naturelle consiste à se demander comment se comporte un système de spins en interaction dans un espace de dimension fractale. Or les structures fractales sont construites par itération d'une cellule génératrice dont les détails sont donc présents à plusieurs échelles ; la question qui se pose alors est de savoir ce qui se passe lorsque l'invariance par translation est remplacée par une invariance d'échelle géométrique. La convergence vers la limite thermodynamique se produit en même temps que le processus d'itération construit la structure. De ce fait, des simulations Monte Carlo fiables de ces transitions de phase n'ont pu être menées à bien que récemment, puisqu'elles nécessitent la simulation de très grandes tailles, lesquelles varient comme des séries géométriques avec l'étape d'itération. C'est en utilisant des algorithmes non locaux dits “d'amas” (Wolff, Swendsen-Wang), capables de réduire le ralentissement critique de manière significative, et des méthodes d'histogrammes pour traiter les données des simulationsMonte-Carlo que j'ai tout d'abord réalisé ces études. Il s'avère que le calcul précis des exposants critiques est rendu encore plus difficile par le fait que l'analyse en tailles finies du modèle d'Ising souffre de corrections d'échelle qui peuvent affecter fortement le comportement de certaines grandeurs thermodynamiques, en particulier lorsque la dimension fractale tend vers 1. J'ai montré que ces corrections d'échelle sont en partie liées à la très forte inhomogénéité du réseau sous jacent (due à l'existence de trous sur plusieurs ordres de grandeurs) et à la concomitance de la construction du fractal avec la convergence vers la limite thermodynamique. Les résultats que j'ai obtenus pour les exposants critiques, ou leurs bornes, sont toujours compatibles avec la relation d'hyperscaling dans laquelle on substitue la dimension de Hausdorff à la dimension d'espace. Le comportement critique en dimension non entière se décrit dans le cadre de l'universalité faible. Cela se manifeste par un désaccord net entre les exposants que j'ai obtenus par les méthodes Monte Carlo et les développements en epsilon. Les exposants critiques ne dépendent pas seulement de la dimension d'espace, des propriétés de symétrie du paramètre d'ordre et de la portée des interactions, mais aussi des propriétés géométriques de la structure fractale : Très récemment des calculs précis d'exposants critiques m'ont permis de montrer que des classes d'universalité différentes sont en général nécessaires pour décrire le comportement du modèle d'Ising sur des fractals de même dimension et de lacunarités différentes. Un tel résultat généralise le concept d'universalité faible proposé par Masuo Suzuki. L'hypothèse d'homogénéité qui sous-tend les lois d'échelle permettant de décrire un comportement critique se dérive par renormalisation. La procédure de renormalisation dans l'espace direct est naturelle dans les fractals, puisqu'elle suit exactement le processus inverse de construction de la structure. Avec mon étudiant Pai-Yi Hsiao, nous avons mené à bien l'étude du modèle d'Ising par une méthode de renormalisation Monte-Carlo sur une structure fractale de dimension voisine de 1, 89 ; il s'avère que l'exposant associé à l'une des directions propres peut être calculé avec une très bonne précision et est en accord avec les résultats de l'analyse en tailles finies. En revanche, la convergence est très lente dans l'autre direction, ce qui est lié aux corrections d'échelle mises en évidence lors de cette analyse. La cinétique stochastique associée à la formation des amas construits par l'algorithme de Wolff sous tend la compréhension du phénomène de ralentissement critique. J'ai montré que les distributions des tailles des amas de Wolff ont une propriété d'homogénéité qui fait intervenir l'un des exposants associé à une des directions propres du processus de renormalisation. Par ailleurs, les distributions des tensions de surface des amas vérifient une propriété analogue dans laquelle intervient un nouvel exposant critique. L'étude des fonctions d'autocorrélation m'a permis de calculer précisément les exposants dynamiques de Wolff lorsque la température critique est connue, et d'éclaircir l'évolution du ralentissement critique avec la dimension et la connectivité. Dans le cas de systèmes invariants par translation, l'ordre de la transition ferromagnétique du modèle de Potts est lié au nombre d'états de spin ; le passage du premier au second ordre est attendu pour des dimensions non entières. Par ailleurs, la présence de désordre peut, dans certaines conditions, induire une transition du second ordre à partir d'un système qui en présente une du premier. L'étude du comportement critique du modèle de Potts sur des fractals est donc particulièrement intéressante, puisque deux des paramètres qui le déterminent (dimensionnalité et désordre structurel) sont liés. Avec mon étudiant Pai-Yi Hsiao, nous avons montré que la transition associée au modèle de Potts à trois états sur une structure fractale de dimension voisine de 1, 89 est du second ordre. Les difficultés attendues lorsqu'on augmente le nombre d'états de spins se font déjà nettement sentir : Les corrections d'échelle empêchent de calculer la température critique avec une très bonne précision. Nous n'avons donc pu donner que des bornes pour certains exposants ; nous avons cependant clairement mis en évidence la différence entre les classes d'universalité de Potts à 2 et 3 états. L'étude de la percolation en dimension non entière est liée à la fois à celle du modèle de Potts et aux algorithmes d'amas. Elle est basée sur l'étude des moments de la distribution de taille des amas, ce qui nécessite la localisation de pics en fonction de la probabilité d'occupation. J'ai pu montrer que les corrections d'échelle n'affectent pratiquement pas le comportement des pics avec la taille des structures, et proposé de les interpréter en termes de "seuil effectif".

Nous présentons une étude des phénomènes de changement de phase liquide-vapeur en milieu capillaro-poreux à partir de simulations numériques sur réseaux de pores et de liaisons. Deux situations sont investiguées. Dans la première, le changement de phase, piloté par le transfert de masse en phase gazeuse, s'effectue sous les conditions de saturation. Le cas étudié correspond en fait au problème classique du séchage d'un milieu capillaro-poreux initialement complètement saturé. La seconde situation correspond à un cas où le changement de phase s'effectue à la température de saturation. Ce deuxième cas est motivé par une application particulière, l'étude des transferts couplés de chaleur et de masse au sein de la mèche d'un évaporateur capillaire. Le simulateur-réseau tridimensionnel mis au point pour l'étude du séchage permet d'apporter un éclairage nouveau sur ce problème, principalement à partir de l'analyse de l'évolution de la structuration des phases à l'intérieur du matériau en cours de séchage. Cette analyse est effectuée dans le cadre de la théorie de la percolation d'invasion. Le cas où les effets de la gravité ne sont plus négligeables est également étudié numériquement et analysé à l'aide de la théorie de la percolation en gradient. L'effet de la viscosité de la phase liquide est analysé théoriquement à partir de la percolation en gradient. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont effectuées. Pour l'étude du cas où le changement de phase s'effectue aux conditions de température de saturation, un simulateur réseau bidimensionnel a été mis au point. Ce simulateur permet l'analyse des transferts couplés de chaleur et de masse avec changement de phase. L'étude est principalement consacrée à l'analyse de l'effet de l'hétérogénéité de la microstructure sur le développement de la phase vapeur et sur la structure du front de changement de phase en régime stationnaire. Cette partie conduit à la proposition d'un design amélioré de la mèche de l'évaporateur en termes de système à deux couches ayant des propriétés de transfert différentes.

Les proprétés physiques des matériaux hétérogènes polymère/noir de carbone sont étroitement liées à l'arrangement des particules conductrices dans la matrice, c'est-à-dire à leur mésostructure. Afin d'étudier celle-ci, nous avons utilisé une extension de la microscopie à champ proche appelée Résiscope qui permet grâce aux propriétés électriques locales de ces matériaux de révéler les connexions électriques entre particules. L'analyse comparative de trois séries de matériaux ayant subi des mélanges différents a permis de montrer qu'un modèle de percolation ne représente que très imparfaitement la mésostructure des matériaux réels et qu'une analyse numérique appropriée des images fournit des renseignements sur la mésostructure à courte et à grande échelles. Enfin, nous avons entrepris l'élaboration de modèles de structures alternatifs fondés sur des données de microscopie électronique en transmission.

La conductivité électrique des milieux poreux est un vaste sujet de recherche possédant des nombreuses applications industrielles. Notamment dans l'industrie pétrolière, les propriétés électriques des roches sont utilisées pour déterminer la quantité d'hydrocarbures dans les puits. En 1942 Gustav Archie a proposé une loi empirique pour la conductivité des roches. Depuis cette loi est largement utilisée dans l'industrie pétrolière et les études géophysiques. Actuellement, le champ d'application de cette loi est réduit à des roches spécifiques. Dans la partie théorique nous nous intéressons aux fondements de la loi d'Archie. L'une des approches existantes de justification de la loi d'Archie consiste en adaptation de la théorie de percolation. Ainsi nous nous intéressons à l'étude de domaine de validité de la loi sur la conductivité électrique établie par la théorie de percolation pour des réseaux infinis des résistances aléatoires. La partie expérimentale porte sur les expériences dans les micromodèles - des réseaux transparents, réguliers, bidimensionnels ayant des dimensions entre 50 et 500 microns. Depuis plusieurs dizaines d'années ces systèmes sont utilisés afin de comprendre la propagation des fluides dans les milieux poreux. Dans notre étude nous mettons en place la mesure de conductivité dans ces micromodèles et la technique d'altération de mouillage. Nous étudions ainsi expérimentalement la conductivité des milieux poreux bidimensionnels à la mouillabilité homogène et hétérogène.

Understanding the transport and retention of radionuclides in the environment is important for protecting freshwater supplies and minimizing impact to biologic systems. Technetium-99 (Tc⁹⁹) is a radionuclide of interest due to its long half-life (2.13 x 10⁵ years) and toxicity. In the form of pertechnetate (TcO₄⁻), Tc is expected to move nearly unretarded in the subsurface. Under reducing conditions Tc can precipitate in low solubility Tc oxide (TcO₂·nH₂O) and/or Tc sulfide (Tc₂S[subscript x]) phases. The studies presented in this dissertation investigate the physiochemical mechanisms for the transport and retention of Tc. Transport studies determined that TcO₄⁻ would move at pore water velocity in unsaturated sediments. Geochemical studies of contaminated sediments determined that nearly ~ 25 % of the total Tc was retained in phases associated with iron oxide and aluminosilicate minerals, thus reducing the mobility of Tc. Studies of Tc₂S[subscript x] mineral phases, generated using nano Zero Valent Iron (nZVI) and sulfide (HS-) in sediments, determined that Tc could be stabilized in mineral phases as Tc₂S[subscript x] that were slower to reoxidize than TcO₂·nH₂O phases. / Graduation date: 2013 / Access restricted to the OSU Community at author's request from Feb. 14, 2013 - Feb. 14, 2014

The ability to tune the properties over a wide range of values by changing the additives, composition, etc., has made chalcogenide glassy semiconductors, most interesting from both fundamental physics as well as technology point of view. In particular, the occurrence of the two network topological thresholds namely the Rigidity Percolation Threshold (RPT) and the Chemical Threshold (CT) and their influence on various properties of chalcogenide glasses have been of immense interest during the last three decades. The Rigidity Percolation Threshold (also known as the Stiffness Threshold or Mechanical Threshold) corresponds to the composition at which the material transforms from a floppy polymeric glass to a rigid amorphous solid, whereas at Chemical Threshold the sample tends towards an ordered state. Though the rigidity percolation has been considered for long to occur at a critical threshold defined by the constraint’s theory, the recent theoretical and experimental investigations have found the RPT to occur over a range of compositions. In systems exhibiting an extended rigidity percolation, two distinct transitions namely from a floppy to an isostatically rigid phase and from an isostatically rigid to a stressed rigid phase are seen. In the category of chalcogenide glasses, tellurides have been found to exhibit interesting properties including the phenomenon of electrical switching which finds applications in Phase Change Memories (PCM). Studies on various thermal, electrical and photoelectrical properties of glassy tellurides help us in identifying suitable materials for different technological applications. This thesis deals with Differential Scanning Calorimetric (DSC) & Temperature Modulated Alternating Differential Scanning Calorimetric (ADSC) studies, electrical switching investigations, photoconductivity & photothermal measurements on certain metal doped telluride glasses. The composition dependence of properties such as glass transition & crystallization temperatures, switching voltage, thermal diffusivity, photosensitivity, etc., have been analyzed to obtain information about topological thresholds, thermally reversing window, etc. The first chapter of thesis provides an overview of properties of amorphous semiconductors, in particular chalcogenide glasses. The local & defect structure, the electronic band structure & electrical properties, electrical switching behavior, etc., are discussed in detail. The theoretical aspects related to the experiments undertaken in this thesis work have also been described. The instrumentation used for various experiments conducted to measure thermal, electrical, photoelectrical and photothermal properties have been discussed in chapter two. The chapter three deals with the photocurrent measurements on As40Te60-xInx (7.5 ≤ x ≤ 16.5) glasses. In these samples, it has been found that the photocurrent increases with illumination, which is understood on the basis of the large dielectric constant and also due to the presence of a large number of positively charged defect states. Further, the composition dependence of the conductivity activation energy and the photosensitivity exhibit a maximum at x = 12.5 (<r> = 2.65) and a minimum at x = 15.0 (<r> = 2.70) which has been identified to be the Rigidity Percolation Threshold (RPT) and the Chemical Threshold (CT) respectively. The results of electrical switching, DSC and Photothermal Deflection (PTD) studies on As20Te80-xGax (7.5 ≤ x ≤ 18.5) glasses, undertaken to elucidate the network topological thresholds, are described in chapter four. It has been found that all the As20Te80-xGax glasses studied exhibit memory type electrical switching. The switching voltage (VT) of these glasses increases monotonically with x, in the composition range 7.5 ≤ x ≤ 15.0. The increase in VT with gallium addition leads to a local maximum at x = 15.0 and VT decreases with x thereafter, reaching a distinct minimum at x = 17.5. Based on the variation with composition of the electrical switching voltages, the composition x = 15.0 and x = 17.5 have been identified to be the rigidity percolation and chemical thresholds of the As20Te80-xGax glassy system respectively. Further, the DSC studies indicate that As20Te80-xGax glasses exhibit a single glass transition (Tg) and two crystallization reactions (Tc1 & Tc2) upon heating. There is no appreciable change in Tg of As20Te80-xGax glasses with the addition of upto about10 atom% of Ga, whereas a continuous increase is seen in the crystallization temperature (Tc1). It is interesting to note that both Tg and Tc1 exhibit a maximum at x = 15.0 and a minimum at x = 17.5, the compositions identified to be the RPT and CT respectively by the switching experiments. The composition dependence of thermal diffusivity estimated from the PTD signal, indicate the occurrence of an extended stiffness transition in As20Te80-xGax glasses, with the compositions x = 9.0 and x = 15.0 being the onset and the completion of an extended rigidity percolation. A maximum and a minimum are seen in the thermal diffusivity respectively at these compositions. Further, a second maximum is seen in the thermal diffusivity of As20Te80-xGax glasses, the Chemical Threshold (CT) of the glassy system. The fifth chapter of the thesis describes the ADSC, electrical switching and photocurrent measurements on Ge15Te85-xInx (1 ≤ x ≤ 11) glasses. It is found there is not much change in the Tg of Ge15Te85-xInx glasses in the composition range 1 ≤ x ≤ 3. An increase is seen in Tg beyond x = 3, which continues until x = 11. Further, the composition dependence of non-reversing enthalpy shows the presence of a thermally reversing window in the compositions range x = 3 and x = 7. Electrical switching studies indicate that Ge15Te85-xInx glasses exhibit threshold type of switching at input currents below 2 mA. It is observed that switching voltages decrease initially with indium addition, exhibiting a minimum at x = 3, the onset of the extended rigidity percolation as revealed by ADSC. An increase is seen in VT above x = 3, which proceeds till x = 8, with a change in slope (lower to higher) seen around 7 atom% of indium which corresponds to the completion of the stiffness transition. The reversal in trend exhibited in the variation of VT at x = 8, leads to a well defined minimum around x = 9, the chemical threshold of the Ge15Te85-xInx glassy system. Photocurrent measurements indicate that there is no photodegradation in Ge15Te85-xInx glasses with x < 3, whereas samples with x ≥ 3 show photodegradation behavior. The composition dependent variation in the glass transition temperature has been attributed for this behavior. Further, the composition dependence of photo sensitivity has been found to show the signatures of the extended rigidity percolation and the chemical threshold in Ge15Te85-xInx glasses. The last chapter of thesis (chapter six) summarizes the results obtained and also the scope of future work to be undertaken.

Es werden metallische Kurzfasern, die durch ein Schnellerstarrungsverfahren direkt aus der Schmelze hergestellt werden, bezüglich ihrer Verwendung als hochporöser Absorber und als elektrisch leitfähige Strukturen in Verbundwerkstoffen vorgestellt. Auf der Basis einer schalldämpfenden hochporösen gesinterten Metallfaserstruktur und einer schalldämmenden Elastomerplatte wird ein neuartiges Schallschutzmaterial beschrieben. Die Theorie des homogenen Mediums ist für Absorber mit schichtartigen Aufbau erweitert und mit den gemessenen Absorberkennwerten verglichen worden. Weiterhin wird gezeigt, dass schmelzextrahierte metallische Kurzfasern in Polymerwerkstoffe eingelagert werden können, um einen elektrisch leitfähigen Faserverbundwerkstoff zu erhalten, der eine höhere Leitfähigkeit als rußgefüllte Polymere aufweist und eine preiswerte Alternative zu intrinsich leitenden Polymeren darstellt. Es werden die Herstellung und mechanische Eigenschaften des Metallfaserverbundwerkstoffes beschrieben. Das elektrische Verhalten des Faserverbundwerkstoffes wird anhand der Perkolationstheorie erläutert. Ausgehend von einem umfangreichen Überblick zu Möglichkeiten der Modellierung mechanischer und elektrischer Eigenschaften wird anhand geeigneter Modelle das reale Werkstoffverhalten beschrieben.