Grâce à un long temps de vie de spin, le silicium est un matériau prometteur pour l'électronique de spin. Mais les approches classiques d'étude de la dynamique de spin basées sur la luminescence polarisée ne peuvent pas être utilisées dans ce matériau à cause du faible couplage spin-orbite et du gap indirect. Dans ce travail, nous avons étudié la polarisation de spin des électrons de conduction créée en condition de pompage optique par spectroscopie de photoémission. La surface du silicium est activée en affinité négative par dépôt de césium et d'oxygène de sorte que les électrons photoexcités avec une énergie proche du gap peuvent émis dans le vide. Nous utilisons un laser accordable qui permet de mesurer systématiquement le spectre de polarisation pour des énergies d'excitation allant du seuil d'absorption jusqu'à la bande Gamma2- au-dessus du gap direct. Nous avons obtenus les spectres de polarisation à partir de couches minces SOI d'épaisseurs différentes. A partir de ces résultats, nous déterminons la valeur de paramètres importants de la structure de bande comme le gap direct ou l'énergie du couplage spin-orbite. Cependant, contrairement aux prédictions, lorsque l'épaisseur de la couche de silicium diminue jusqu'à des valeurs inférieures à la longueur de diffusion de spin, la polarisation en spin des électrons émis reste proche de zéro (-0.4%), remettant en cause l'interprétation directe des valeurs théoriques de la polarisation initiale égale à -20%. Une approche théorique a donc été développée sur la base d'un modèle ab initio de structure de bande pour déterminer les spectres de polarisation en spin. Ces calculs sont encore en cours, mais les résultats déjà obtenus sur la structure électronique du silicium sous contrainte indiquent une piste intéressante pour les études futures.

This thesis is divided into two parts, experimental part presenting the synthesis of exchange spring magnets and theoretical part showing the magnetization dynamics of exchange spring magnets. For the synthesis, ferrite and metal alloy based magnets using mechanical milling and ultrasonic mixing are studied. This part discusses the difficulty in controlling the microstructure during synthesis. Several samples with varying volume fractions of the soft phase are synthesized. It is found that mechanical milling initiates a reaction and this leads to disintegration of the ferrite phase into its intermediate phases. Samples prepared using ultrasonic mixing however show presence of the ferrite phase up to very large volume fraction of the soft alloy phase which provides better perspective for the synthesis. Dynamics of the exchange spring system is studied theoretically using micromagnetic theory. Microwave assisted magnetization reversal are studied in the bulk bilayer exchange coupled system. We investigate the nonlinear magnetization reversal dynamics in a perpendicular exchange spring media using the Landau-Lifshitz equation. In the limit of the infinite thickness of the system, the propagation field leads the reversal of the system. The reduction of the switching field and the magnetization profile in the extended system are studied numerically. The possibility to study the dynamics analytically is discussed and an approximation where two P-modes are coupled by an interaction field is presented. The ansatz used for the interaction field is validated by comparison with the numerical results. This approach is shown to be equivalent to two exchange coupled macrospins.

Ces dernières années, un intérêt grandissant a été accordé à l'étude de matériaux issus d'enjeux sociétaux, études souvent motivées par le grand public demandeur de ce type de démarche scientifique. Cet intérêt a même pu faciliter la réalisation de projets ambitieux, tels que la construction du synchrotron SOLEIL, fortement soutenu et financé par les collectivités territoriales pour son aspect applicatif . Depuis mes travaux de thèse, j'ai participé et j'anime aujourd'hui des sujets de recherche directement liés à certains de ces matériaux issus d'enjeux sociétaux (matériaux du Patrimoine et composés pharmaceutiques). Ces matériaux ont en commun d'être des matériaux souvent complexes, qui incitent des développements instrumentaux et analytiques spécifiques. L'enjeu cristallographique de mon travail est donc d'arriver à proposer des méthodes permettant de caractériser ces matériaux dits " réels ", tels qu'on les utilise ou tels qu'on les a mis au jour. Les échantillons étudiés étant majoritairement polycristallins, la technique d'analyse privilégiée est logiquement la diffraction de poudre (mise en œuvre aussi bien en laboratoire que sur grands instruments), souvent combinée à des techniques de microscopies et de spectroscopies.

Le but de cette thèse est le développement d'un outil microfluidique d'étude de la cristallisation (et plus particulièrement de la nucléation) adaptée aux contraintes de l'industrie, c'est-à-dire permettant de réaliser un grand nombre d'expériences de cristallisation tout en utilisant le moins de produits possible et en restant simple à mettre en place expérimentalement. Seule la microfluidique permet, en utilisant des volumes de l'ordre du nL, de répondre simultanément à ces deux contraintes. Les systèmes microfluidiques permettent en effet de générer des gouttes de quelques nanolitres qui sont autant de microcristallisoires permettant l'étude de la nucléation Ce travail présente la mise au point de systèmes microfluidiques et des méthodes analytiques associées dédiés à l'étude de la nucléation de principes actifs pharmaceutiques. Un système microfluidique existant a été adapté afin de répondre dans un premier temps aux problèmes posés par la cristallisation de protéines dans l'eau. Ce système a permis de mesurer la limite de zone métastable ainsi que la fréquence de nucléation d'une protéine modèle, le lysozyme, également utilisée comme principe actif. Puis ce système a été à nouveau adapté afin de permettre l'étude de la nucléation dans des solvants organiques variés et donc l'étude d'un grand nombre de principes actifs pharmaceutiques. À l'occasion de cette nouvelle adaptation, des méthodes plus polyvalentes d'études de la nucléation ont dû être mises au point afin de résoudre les nouveaux problèmes soulevés. La grande polyvalence du système microfluidique et des méthodes d'études de la nucléation ainsi mis au point permet d'envisager de ne pas limiter son champ d'application à la seule industrie pharmaceutique, mais de l'étendre à tous les domaines où l'utilisation de faibles volumes de solution permettrait de réduire les coûts (protéines) et/ou les risques (explosifs, matériaux radioactifs).

Les phases MAX sont des carbures et nitrures ternaires dont les propriétés remarquables sont intermédiaires entre celles des métaux et des céramiques. Elles présentent une grande variété de composition sous la même structure cristalline. Ce travail de thèse a pour objectif de mesurer leur constante diélectrique complexe ["(!)] en fonction de la composition. La variation de celle-ci en fonction de l'orientation cristallographique est 'également étudiée. Les échantillons utilisées sont des monocristaux élaborés en couches minces et des polycristaux massifs. Les mesures ont été effectuées par spectroscopie de pertes d'énergie des électrons (EELS) et par l'ellipsom'etrie V-UV. L'ellipsom'etrie possède une très bonne résolution en 'énergie et angulaire toutefois fenêtre en énergie accessible expérimentalement est réduite (1.5 'a 5.5 eV). L'EELS, permet de couvrir une gamme d'énergie allant du proche IR aux X mous ( 1 'a 100 eV). Les résultats issus de ces deux méthodes de mesure sont tr'es comparables. L'utilisation d'un monochromateur avant 'echantillon s'av'ere toutefois indispensable en EELS pour mesurer correctement le signal dans la région des très basses énergies. Les propriétés diélectriques des composés Ti2AlC et Ti2AlN sont remarquablement différentes suivant l'orientation cristallographique de la sollicitation. du faisceau électronique incident dans le plan de base ou le long de l'axe de c. Les propriétés diélectriques très différentes en fonction de l'orientation du cristal ont été mises en 'évidence et ont donc confirmé l'anisotropie montre par la théorie à l'origine de cette 'étude. L'étude d'autres composés en couches minces tel que Ti2GeC, Ti2SnC dont la synthèse a été réalisée nous a permis d'étudier l'influence des éléments A sur les propriétés diélectriques et optiques de ces matériaux. Un modèle phénoménologique semi-classique de Drude-Lorentz a été utilisé pour reproduire la fonction ". Dans ce modèle la réponse d'un métal à une excitation electromagnétique est décrite comme celle d'un gaz d'électrons libres et d'une somme d'oscillateurs représentant les transitions interbandes possibles. Après ajustement de ce modèle aux mesures expérimentales, il a été possible d'extraire la densité électronique et d'estimer un temps de relaxation des électrons libres. Ces mesures ont ensuite été utilisées pour déduire la conductivité statique qui a été comparée aux meures macroscopiques. Les résultats sont en bon accord avec les valeurs publiées et nous permettent de confirmer que la conductivité statique présente une forte anisotropie dans Ti2AlC et Ti2AlN. Enfin, une approche ab initio a été mise en œuvre afin de modéliser les constantes diélectriques complexes. Ces calculs basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps (TDDFT) reproduisent l'anisotropie de la réponse diélectrique et montrent qu'elle est intimement liée aux champs locaux.

Mon travail de thèse concerne l'étude des propriétés magnétiques des alliages de cobalt et de gadolinium (CoGd) ainsi que l'étude de la transition de réorientation de spin (SRT) dans les films ultra minces de cobalt. Les alliages entre terres rares et métaux de transition CoGd possèdent des propriétés magnétiques uniques. Bien étudiés à l'état massif, ils ont connu récemment un regain d'intérêt, en particulier pour l'étude de la dynamique ultrarapide de l'aimantation ainsi que pour tester les mécanismes du transfert de spin. La diversité des propriétés magnétiques observées dans des films minces de ces alliages est liée à une connaissance incomplète de la structure de ces échantillons. J'ai développée au cours de ma thèse une chambre de dépôt en ultra vide pour produire des couches minces d'alliage par coévaporation. J'ai montré comment, en utilisant plusieurs techniques complémentaires qui vont de l'effet Kerr magnéto-optique au dichroïsme magnétique en absorption et de l'EXAFS à la spectroscopie des photoélectrons, j'ai pu corréler les propriétés structurales et magnétiques des films. Une étude des propriétés magnétiques en fonction de la température d'un échantillon présentant une inhomogénéité latérale de composition illustre les potentiels ouverts par ces films dont le comportement est reproduit par un calcul de champ moyen. Les films ultra minces Pt/Co(5Å)/Pt présentent une anisotropie perpendiculaire au plan de la couche. En augmentant la température, l'anisotropie diminue jusqu'à une valeur critique pour laquelle elle ne permet plus de contrebalancer les effets dipolaires tendant à ramener l'aimantation dans le plan de la couche. Ce passage d'une aimantation hors du plan à une aimantation dans le plan s'appelle la transition de réorientation de spin (SRT). Dans les couches ultra minces Pt/Co (5Å)/Pt il est possible de contrôler les propriétés magnétiques grâce à un processus d'irradiation par des ions He et ainsi d'obtenir un échantillon présentant une SRT au voisinage de la température ambiante, permettant une observation plus aisée. Dans cette partie j'ai exposé les résultats expérimentaux, obtenus essentiellement par microscopie et magnétométrie Kerr, permettant d'identifier le mécanisme impliqué dans la SRT et de mettre en avant le rôle des fluctuations thermiques. L'étude se conclue par une comparaison des résultats expérimentaux aux modèles théoriques disponibles.

Cette étude a pour but la mise au point d'un procédé de dépôt en vue de réaliser des fibres piézoélectriques. Ces fibres pourront être utilisées soit comme jauge de déformation (extensomètre) soit comme système de récupération d'énergie liée au mouvement d'un utilisateur (tissu) pour alimenter un dispositif d'électronique embarqué. Une fibre piézoélectrique constituée d'un dépôt cylindrique d'oxyde de zinc sur un fil d'acier inoxydable a été réalisée par pulvérisation magnétron à impulsion de haute puissance (HiPIMS) à l'aide d'un prototype de traitement au défilé conçu, réalisé et décrit lors de cette étude. Une caractérisation précise des échantillons réalisés dans différentes conditions expérimentales a permis de décrire et comprendre en partie les mécanismes de croissance des dépôts, ceci de manière, en particulier, à déterminer les conditions de fonctionnement optimum pour l'élaboration de dépôts possédant une orientation cristalline préférentielle hors plan. Pour envisager le traitement de fibres ne supportant pas les hautes températures nous avons montré qu'il était possible de contrôler cette température en ajustant certains paramètres du procédé, tel que la pression et la puissance moyenne. Un mécanisme de germination préférentielle suivi d'une croissance par auto-épitaxie a été proposé afin d'expliquer la très forte orientation préférentielle des films réalisés à faible température. Pour des fortes valeurs de courant crête, le phénomène de germination préférentielle associé à la croissance évolutionnaire pourrait favoriser l'orientation (101)*. Pour les plus fortes valeurs de courant, aucune orientation préférentielle n'est observée et les fortes contraintes mesurées ont été attribuées à l'excès d'oxygène détecté dans les couches.

Le graphène épitaxié sur des substrats métalliques est un modèle prometteur pour le développement de nouveaux systèmes hybrides, dans lesquelles les effets d'interface peuvent être exploités pour concevoir de nouvelles propriétés. L'insertion d'espèces entre le graphène et son substrat, une opération connues sous le nom d'-"intercalation", est une approche très puissante à cet égard. Avec l'aide des outils de la physique des surfaces, nous avons étudié trois systèmes graphène/métal, dont deux sont des systèmes hybrides intercalés, et l'autre est un candidat pour un tel système : (i) le graphène/Ir(111) intercalé avec un oxyde ultra-mince, (ii) graphène/Ir(111) intercalé avec des couches sub-atomiques du cobalt et (iii) de graphène sur Re(0001). Nous avons montré que certains défauts, en particulier les ridules (délamination du graphène de son substrat) et d'autres régions courbées du graphène, jouent un rôle crucial, non anticipé, dans le processus d'intercalation. Nous avons également observé que l'intercalation se déroule d'une manière nettement différente sous ultravide et à pression atmosphérique. Dans le premier système, des espèces contenant de l'oxygène entrent à l'extrémité ouverte des ridules et diffusent au long de ces ridules pour former des nano-rubans d'oxyde. Ces rubans modifient le dopage électronique du graphène, ce qui se traduit également par des changements substantiels dans la réponse optique inélastique (Raman) du graphène. Dans le second système, l'efficacité de l'intercalation est apparue dépendante de l'interaction graphène-métal, laquelle varie entre les domaines de graphène orientés différemment sur_(111). Dans ce système, les sites d'entrée pour les espèces intercalées, des régions courbées dans le graphène, ont pu être identifiés grâce à l'observation in_operando (en cours de croissance) du processus. Enfin, la croissance de graphène dans un troisième système (graphène/Re(0001)), a été étudiée afin de permettre le développement de futurs systèmes graphène/Re hybrides supraconducteurs. Dans ce système, nous avons proposé deux voies de croissance, l'une étant basé sur un processus de croissance en surface d'un monocristal massif de Re(0001), l'autre reposant sur la ségrégation en surface, activée thermiquement, du carbone dissout à haute température dans des films minces de Re sur saphir.

Cette thèse vise à étudier la diffusion protonique, et dans une moindre mesure ionique, au sein d'un matériau électrolyte pour pile à combustible BaCeO3 dopé Gd, en adoptant une démarche multi-échelle. Tout d'abord, des calculs ab initio ont été réalisés afin de déterminer les positions stables des défauts protoniques OH_O et des lacunes d'oxygène VO dans le matériau. Puis, en utilisant toujours le formalisme de la théorie de la fonctionnelle de la densité, les barrières d'énergies pour les deux types de défauts entre deux positions stables ont été calculées. Enfin, ces barrières ont été utilisées dans un algorithme de Monte-Carlo cinétique afin de simuler des trajectoires de protons et de lacunes d'oxygène. Cette méthode permet d'accéder à des grandeurs macroscopiques, accessibles expérimentalement, telles que l'énergie d'activation, le coefficient de diffusion ou la mobilité, en se basant uniquement sur des données atomiques issues de simulations ab initio. Le gadolinium semble être un dopant intéressant pour le cérate de barium au vu de son faible pouvoir attractif sur le proton : il permet ainsi la création de nombreuses lacunes d'oxygène, qui pourront incorporer des molécules d'eau, sans toutefois piéger l'hydrogène. Ces deux conditions sont nécessaires pour obtenir un bon électrolyte pour les oxides solides conducteurs de protons.

L'absence d'oxydes semi-conducteurs de type p de haute performance retarde le développement de d’électronique transparente et du photovoltaïque à base d’oxydes. Dans le groupe des composés semi-conducteurs, les oxydes à base de cuivre présentent des caractéristiques électriques, optiques et de fabrication prometteuses qui établissent cette famille de matériaux comme bien adaptés aux applications semi-conductrices de type p. Dans ce travail, nous nous concentrons sur la croissance de films minces d’une part de Cu2O dopée par des cations et d’autre part de CuCrO2, visant à améliorer leurs propriétés optiques et électriques. De plus, nous avons mis en œuvre ces films d'oxyde dans des dispositifs de jonction pn tels que des cellules solaires et des photodétecteurs UV.Dans le travail sur Cu2O, nous avons réalisé l'incorporation de magnésium jusqu'à 17% dans des films minces par dépôt chimique en phase vapeur assisté par aérosol, entraînant des changements de morphologie. La résistivité électrique a été réduite jusqu’à des valeurs de 6,6 ohm.cm, en raison de l'augmentation de la densité de porteur de-charges jusqu'à 10^18 cm-3. L'incorporation du magnésium a en outre eu un impact sur la stabilité de la phase Cu2O. En effet la transformation du Cu2O en CuO en conditions oxydantes est considérablement retardée par la présence de Mg dans les films, en raison de l'inhibition de la formation d’un type particulier de lacune de cuivre (split vacancy). L'intégration dans les jonctions pn a été réalisée avec succès en utilisant uniquement des voies de dépôt chimique en phase vapeur, en combinaison avec le ZnO de type n. Néanmoins, l'application de Cu2O dopé au Mg dans les cellules solaires présente un effet photovoltaïc très faible, loin des meilleures valeurs de l’état de l’art.Dans le travail sur CuCrO2, nous démontrons la première fabrication d'hétérostructures de nanofils en configuration cœur/coquille ZnO/CuCrO2 utilisant des techniques de dépôt chimique adaptées pour des grandes surface, à faible coût, facilement implémentées à des températures modérées et leur intégration dans des photodétecteurs UV auto-alimentés. Une coquille conforme de CuCrO2 avec la phase de delafossite et avec une uniformité élevée a été élaborée par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par aérosol sur un réseau de nanofils ZnO alignés verticalement, obtenu par dépôt par bain chimique. Les hétérostructures ZnO/CuCrO2 coeur-coquille présentent un comportement rectificatif significatif, avec un ratio de rectification maximal de 5500 à ± 1V, ce qui est bien meilleur que les dispositifs 2D similaires rapportés dans la littérature, ainsi qu'une absorption élevée supérieure à 85% dans la région UV. Lorsqu'ils sont appliqués en tant que photodétecteurs UV auto-alimentés, les hétérojonctions optimisées présentent une réponse maximale de 187 μA / W sous une polarisation nulle à 374 nm ainsi qu'une sélectivité élevée avec un ratio de rejet entre l’UV-et le visible (374-550 nm) de 68 sous irradiance de 100 mW/cm2. / The lack of a successful p-type semiconductor oxides delays the future implementation of transparent electronics and oxide-based photovoltaic devices. In the group semiconducting compounds, copper-based oxides present promising electrical, optical and manufacturing features that establish this family of materials suitable for p-type semiconductor applications. In this work, we focused on the growth of cation doped Cu2O and intrinsic CuCrO2 thin films, aiming for enhancements of their optical and electrical response. Furthermore, we implemented these oxide films into pn junction devices, such as solar cells and UV photodetectors.In the work on Cu2O, we achieved the incorporation of magnesium up to 17% in thin films by aerosol-assisted chemical vapor deposition, resulting in morphology changes. Electrical resistivity was reduced down to values as low as 6.6 ohm.cm, due to the increase of charge-carrier density up to 10^18 cm-3. The incorporation of magnesium had additionally an impact on the stability of the Cu2O phase. The transformation of Cu2O into CuO under oxidizing conditions is significantly postponed by the presence of Mg in the films, due to the inhibition of copper split vacancies formation. The integration into pn junctions was successfully achieved using only chemical vapor deposition routes, in combination with n-type ZnO. Nevertheless, the application of Mg-doped Cu2O in solar cells present a meager photovoltaic performance, far from the state-of-the-art reports.In the work on CuCrO2, we demonstrate the first fabrication of ZnO/CuCrO2 core-shell nanowire heterostructures using low-cost, surface scalable, easily implemented chemical deposition techniques at moderate temperatures, and their integration into self-powered UV photodetectors. A conformal CuCrO2 shell with the delafossite phase and with high uniformity is formed by aerosol-assisted chemical vapor deposition over an array of vertically aligned ZnO nanowires grown by chemical bath deposition. The ZnO/CuCrO2 core-shell nanowire heterostructures present a significant rectifying behavior, with a maximum rectification ratio of 5500 at ±1V, which is much better than similar 2D devices, as well as a high absorption above 85% in the UV region. When applied as self-powered UV photodetectors, the optimized heterojunctions exhibit a maximum responsivity of 187 µA/W under zero bias at 374 nm as well as a high selectivity with a UV-to-visible (374-550 nm) rejection ratio of 68 under an irradiance of 100 mW/cm2.