Le contrôle de la mouillabilité de surface est important pour de nombreuses applications pratiques. Cette propriété, découland de la combinaison d'un matériau à faible énergie de surface avec une structuration de surface, est communément déterminé par mesure d'un angle de contact à l'eau sur la surface. Des surfaces avec un angle de contact à l'eau (θeau) supérieur à 150° sont appelé surfaces superhydrophobes. De telles surfaces sont très intéressantes car potentiellement pour des applications dans l'auto-nettoyage, anti-contamination, dispositifs bio-médicaux, peinture ou en aéronautique, par exemple. Parmi les techniques pour élaborer des surfaces superhydrophobes, la polymérisation éléctrochimique est une méthode polyvalente et rapide. Usuellement, l'approche générale consiste en l'utilisation des composés hautement fluorés. Cependant, comme observé dans la nature, le fluor n'est pas nécessaire et peut présenter un impact environnemental. Dans ce travail, nous nous sommes focalisé sur la synthèse de monomères originaux avec des chaînes hydrocarbonées comme partie hydrophobe afin de trouver une alternative aux produits fluorés pour préparer par électropolymérisation des surfaces superhydrophobes. Nous avons atteint la superhydrophobie (θeau> 150°) avec des polymères hydrocarbonés et nous avons déterminé l'influence des parties chimique et physique sur les angles de contact. Nous avons également atteint des propriétés similaires aux dérivés fluorés montrant que des polymères hydrocarbonés peuvent être une alternative aux polymères fluorés.

Dans la perspective d'un contrôle ultime de la lumière, les arrivées récentes des cristaux photoniques et des métamatériaux constituent des avancées majeures. Ces matériaux nano-structurés présentant des propriétés optiques inédites nous ouvrent tout un champ de possibilités encore inexploré. En particulier, des milieux d'indice effectif négatif sont rendus concevables. L'objectif de cette thèse est d'étudier d'un point de vue électromagnétique, à l'aide d'outils analytiques et numériques, le comportement de la lumière dans ces structures exotiques. Nous nous penchons sur les boucles de lumières, qui sont des modes localisés d'une structure multi-couches, émergeant du couplage contra-directionnel entre deux guides distincts. Une analyse physique est proposée et un modèle basé sur la théorie des modes couplés est développé. Cela nous permet de décrire avec précision l'excitation d'une boucle de lumière par une source lumineuse, et d'envisager des applications pour la mise en forme de faisceau. Dans une seconde partie, nous étudions des cristaux photoniques unidimensionnels formés par une alternance de milieux d'indices positif et négatif. Lorsque l'indice moyen est nul, une bande interdite aux propriétés nouvelles apparait. Nous montrons que le caractère dispersif des milieux transforme des pics étroits de transmission en larges bandes. Pour caractériser la propagation d'un faisceau dans un tel cristal, nous développons et validons alors un modèle qui nous permet de démontrer le potentiel en matière de mise en forme de faisceau (auto-collimation, focalisation).

L'axe de recherche original que nous avons développé dans le cadre de ce travail de thèse visait à la réalisation et l'étude d'hétérostructures moléculaires photo-magnétiques dans des gammes de température susceptibles d'applications. L'approche proposée consistait à élaborer des hétérostructures de type multiferroïque constituées de deux phases, l'une piézomagnétique et l'autre photo-strictive, et d'exploiter le couplage entre ces propriétés pour permettre l'observation d'effets photo-magnétiques à des températures plus élevées que celles rapportées pour les matériaux monophasés. La couche photo-strictive peut se déformer sous irradiation lumineuse, générant des contraintes biaxiales dans la couche magnétique. Si celle-ci présente une forte réponse piézomagnétique, son aimantation peut être fortement modifiée. Les composés analogues du Bleu de Prusse semblaient particulièrement adaptés à l'élaboration de telles hétérostructures. L'objectif principal de ce travail de thèse était la croissance contrôlée de particules cœur-coquille à base de ces composés, en se focalisant sur la composition Rb0,5Co[Fe(CN)6]0,8 . zH2O pour la phase photo-déformable et Rb0,2Ni[Cr(CN)6]0,7 . z'H2O pour la phase magnétique. Nous avons développé un protocole permettant la maîtrise de la composition chimique de la coquille, limitant de fait l'interdiffusion à l'interface. Le second point était la caractérisation de l'arrangement structural au travers de l'interface, en cherchant à préciser les relations d'épitaxie et l'éventuel caractère polycristallin de la coquille. Pour finir, le changement des propriétés magnétiques des hétérostructures cœur-coquille sous irradiation lumineuse a été étudié.

Nous étudions de façon expérimentale les mécanismes d'excitation et de relaxation électroniques, sous irradiation par impulsion laser (UV et IR) ultracourte (60 fs - 1 ps), dans les matériaux diélectriques à large bande interdite. Les régimes explorés vont de l'ionisation sans modification permanente (quelques TW/cm²) jusqu'au régime ablatif (dizaines de TW/cm²). L'objectif de ce travail à caractère fondamental est la compréhension du processus d'endommagement laser dans nos conditions d'irradiation. D'abord, la connaissance de la densité électronique du matériau irradié aux différents stades d'excitation permet la quantification de cette interaction. La technique d'interférométrie résolue en temps est utilisée pour mesurer de façon directe cette quantité d'excitation. Cette mesure, effectuée au seuil de claquage pour différentes durées d'impulsion remet en question l'utilisation de densité d'excitation critique comme critère universel d'endommagement. Un nouveau critère, lié à l'énergie échangée est proposé. D'autre part, l'utilisation d'un schéma expérimental à deux impulsions " pompes " a permis la distinction des mécanismes d'excitation intervenant à l'échelle temporelle de l'ordre de la durée des impulsions utilisées. Nos résultats indiquent des comportements différents selon les matériaux utilisés. L'existence d'une avalanche électronique est observée dans certains matériaux (SiO2, NaCl) alors que ceci n'est pas le cas pour d'autres (Al2O3, MgO). Ces différences seront discutées en détail. Ensuite, nous mesurons le spectre en énergie des électrons excités par une technique complémentaire : la spectroscopie de photoémission. Ces résultats ont permis d'une part de montrer l'existence d'un effet croisé entre deux impulsions " pompes " qui se traduit par une augmentation de l'énergie des photoélectrons et d'autre part la mesure des temps caractéristiques de relaxation des électrons selon leur énergie cinétique. Enfin, une étude morphologique des cratères résultants de l'ablation a été effectuée et ce pour différents paramètres d'irradiation avec une seule impulsion (nombre de tirs, énergie et durée de l'impulsion) ainsi que pour le cas de l'association de deux impulsions en fonction de leur délai.

Le contrôle de la synthèse et de l'assemblage de nanobâtonnets est un enjeu important pour l'étude de dispositifs présentant des propriétés physiques anisotropes, notamment dans le domaine de l'optique ou du magnétisme. L'objectif de cette thèse était d'étudier un système particulier, le phosphate de lanthane (LaPO4), dont on a montré qu'il peut être fabriqué sous forme de nanobâtonnets en solution jusqu'à des concentrations remarquablement élevées. Comme les cristaux liquides organiques, ces bâtonnets s'organisent spontanément en solution et leur orientation peut être contrôlée en appliquant un champ électrique. Par ailleurs, il est possible de déposer ces bâtonnets sur des substrats de verre et les couches minces obtenues présentent une remarquable biréfringence. Enfin, le dopage des bâtonnets avec des ions europium les rend luminescents, avec un signal qui dépend de l'orientation du bâtonnet. Une application originale est l'utilisation de ces nanobâtonnets comme capteurs du débit d'un liquide.

Les lasers à cascade quantique (LCQ) sont des nanostructures de semiconducteurs se basant sur des transitions intersousbandes entre états confinés de la bande de conduction. Ils ont permis de combler un manque de sources puissantes et compactes d'abord dans le moyen infrarouge (MIR) puis dans le térahertz (THz). Cette thèse présente deux études en rapport avec ces lasers. La première partie présente les propriétés d'optique non-linéaire résonantes des LCQ. Il s'agit de démontrer la génération de différence de fréquences entre un faisceau proche infrarouge (IR) et le champ THz du LCQ. L'excitation proche IR est résonante avec les transitions interbandes des puits quantiques qui composent le LCQ. Ceci exalte la susceptibilité non-linéaire du milieu. Le champ THz intense dans la cavité combiné à cette excitation résonante permet d'obtenir de bonnes efficacités (jusqu'à 0.13%) et de générer des harmoniques supérieures jusqu'à l'ordre 3. Ces interactions non-linéaires ont également été étudiées dans les LCQ MIR ce qui a permis d'augmenter la température de fonctionnement jusqu'à 275 K. Une deuxième partie traite du contrôle de la phase du champ THz d'un LCQ au moyen d'un montage de spectroscopie THz dans le domaine temporel. L'originalité résulte dans l'usage d'un LCQ ayant un guide double métal. Ces guides permettent d'avoir de meilleures performances en température mais ont des dimensions largement sous longueur d'onde. Ces dimensions compliquent le couplage d'une onde THz externe nécessaire à l'amorçage du champ THz du LCQ sur une phase fixe. Des antennes en forme de V sont déposées à la surface du LCQ pour faire une adaptation d'impédance et favoriser ainsi le couplage.

Within the scope of this thesis, a theoretical study of liquid flow in graphitic nanopores was performed. More precisely, a combination of numerical simulations and analytic approach was used to establish the special properties of carbon nanotubes for fluid transport: Molecular dynamics flow simulations of different liquids in carbon nanotubes exhibited flow velocities that are 1-3 orders of magnitude higher than predicted from the continuum hydrodynamics framework and the no-slip boundary condition. These results support previous experiments performed by several groups reporting exceptionally high flow rates for water in carbon nanotube membranes. The reason for this important flow enhancement with respect to the expectation was so far unclear. In this work, a careful investigation of the water/graphite friction coefficient which we identified as the crucial parameter for fast liquid transport in the considered systems, was carried out. In simulations, the friction coefficient was found to be very sensitive to wall curvature: friction is independent of confinement for water between flat graphene walls with zero curvature, while it increases with increasing negative curvature (water at the outside of the tube), and it decreases with increasing positive curvature (water inside the tube), eventually leading to quasi frictionless flow for water in a single file configuration in the smallest tubes. A similar behavior was moreover found with several other liquids, such as alcohol, alcane and OMCTS. Furthermore, a theoretical approximate expression for the friction coefficient is presented which predicts qualitatively and semi-quantitatively its curvature dependent behavior. Moreover, a deeper analysis of the simulations according to the proposed theoretical description shed light on the physical mechanisms at the origin of the ultra low liquid/solid friction in carbon nanotubes. In fine, it is due to their perfectly ordered molecular structure and their atomically smooth surface that carbon nanotubes are quasi-perfect liquid conductors compared to other membrane pores like, for example, nanochannels in amorphous silica. The newly gained understanding constitutes an important validation that carbon nanotubes operate as fast transporters of various liquids which makes them a promising option for different applications like energy conversion or filtration on the molecular level.

Ce travail de thèse est basé sur l'analyse et l'optimisation des propriétés physiques d'un matériau photonique compatible avec les technologies CMOS. Ce matériau est une matrice de SiO2 contenant des nanoclusters de silicium (nc-Si) et des ions erbium (Er3+). Grâce à un transfert d'énergie entre nc-Si et Er3+, la section efficace d'absorption des ions Er3+ est fortement augmentée. L'objectif est d'optimiser le transfert entre nc-Si et Er3+ afin de maximiser les propriétés d'émission de l'erbium à 1,5 µm. Dans un premier temps les travaux sont axés sur les traitements thermiques pendant et après le dépôt. Ensuite, nous analysons l'effet de l'épaisseur de la couche mince sur les propriétés optiques du matériau et nous montrons que les couches très minces (< 150 nm) présentent un manque de sensibilisateurs qui réduit le nombre d'erbium excités. Nous démontrons alors que ce problème peut être résolu en augmentant la concentration en silicium, augmentant ainsi le nombre de sensibilisateurs au sein des couches les plus minces. Il est ensuite montré que les ions Er3+ bénéficient d'une excitation nanoseconde multi-niveaux par les sensibilisateurs nc-Si. Une deuxième partie du travail de thèse présente la réalisation de diodes électroluminescentes (DELs) et l'optimisation de leur émission à 1,5 µm. Nous montrons qu'épaisseur et excès de silicium doivent êtres choisi conjointement pour l'optimisation des propriétés optiques et électriques des DELs. Une dernière partie montre que les propriétés des DELs peuvent êtres améliorés par l'utilisation de matrices hôtes oxynitrures et nitrures pour les nc-Si et Er3+. Ces travaux ouvrent la voie au développement de DELs efficaces à base de silicium et émettant à 1,5 µm

Cette thèse rassemble des contributions méthodologiques aux méthodes hybrides en théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). La combinaison de la DFT et de plusieurs méthodes de fonction d'onde a été réalisée par séparation linéaire de l'interaction électronique dans l'extension multidéterminantale de la méthode de Kohn-Sham. Afin d'améliorer le calcul des effets de corrélation de (quasi-)dégénérescence des systèmes moléculaires, nous avons développé les hybrides multiconfigurationnels qui combinent la DFT avec un calcul de champ autocohérent multiconfigurationnel. Le couplage de la DFT avec une théorie de perturbation Møller-Plesset du deuxième ordre (MP2) a donné la justification théorique et le développement d'approximations "double hybrides" qui ont été testées sur des systèmes moléculaires et étendus.

Les substrats de silicium sur isolant totalement désertées (FD-SOI, pour Fully-Depleted Silicon-On-Insulator), se révèlent être une matière très prometteuse pour le développement des nouvelles technologies CMOS. Un substrat FD-SOI est formé d'une couche superficielle de silicium cristallin, extrêmement fine (~ 10 nm), disposée sur une couche d'oxyde enterrée (BOx) qui est elle-même portée par un substrat épais de silicium (~ 750 µm). En effet, il a été démontré que les caractéristiques des transistors fabriqués sur FD-SOI dépendent fortement de l'épaisseur de la fine couche de silicium. Il est donc indispensable que les variations d'épaisseur soient contrôlées avec une précision sous-nanométrique et ce sur une très large plage de fréquences spatiales (entre 10 nm et 300 mm) ce qui représente un grand défi pour l'industrie du semi-conducteur et en particulier pour la technologie CMOS. Au cours de cette thèse, des méthodes de caractérisation multi-échelle basées sur l'utilisation de la densité spectrale de puissance (PSD) et permettant le traitement des données obtenues par différentes techniques expérimentales, ont été développées. Cela permet de caractériser la rugosité et les variations d'épaisseur de couches fines sur l'intégralité de la bande spectrale d'intérêt. Ces outils ont permis l'étude de la corrélation entre la topographie de surface et les variations d'épaisseur du film de silicium. Ainsi, il a été mis en évidence qu'en fonction de la fréquence spatiale les variations d'épaisseur peuvent être supérieures, inférieures ou du même ordre de grandeur que celles de la topographie. En outre, les principales étapes technologiques entrant en jeu dans la technologie Smart CutTM pour la fabrication de substrats FD-SOI, ont été analysées, en particulier leur impact sur l'uniformité d'épaisseur de la couche de silicium. Cette analyse a révélé l'existence de trois régions spectrales montrant un comportement fractal avec des exposants de rugosité distincts, ceci permettant de déterminer les empreintes spectrales de certaines étapes technologiques du procédé, e.g., la propagation de la fracture [entre 1.10-5 et 2.10-3 µm-1], la diffusion de surface [entre 0.3 et 1 µm-1] et l'oxydation thermique [entre 1 et 10 µm-1]. De plus, la contribution spectrale résultant de la distribution de microfissures générées lors de l'implantation ionique, est établie [entre 0.03 et 1 µm-1]. Par la suite, l'influence des conditions de l'implantation ionique sur la topographie de surface après fracture ont été examinées. En effet, dans le cas de l'implantation H+, la rugosité augmente avec la dose ionique implantée. L'impact de l'ordre d'implantation, dans le cas de la co-implantation H+-He+ a également été traité. En outre, les phénomènes physiques à l'origine du lissage thermique par diffusion surfacique ont été investigués. Un modèle paramétrique décrivant l'évolution de la topographie de surface au cours d'un traitement thermique, a été développé à partir de l'équation de diffusion surfacique de Mullins-Herring. Deux termes stochastiques correspondant d'une part aux fluctuations thermiques et d'autre part au phénomène d'oxydation/évaporation, ont été ajoutés. Ce modèle permet donc de prédire l'évolution de la topographie des surfaces de silicium traitées par recuit thermique dans une atmosphère réductrice et pour des températures supérieures à celle de la transition rugueuse. Les données expérimentales décrivant l'évolution de la rugosité et la cinétique de diffusion sont en parfait accord avec les valeurs théoriques. L'optimisation des paramètres expérimentaux peut être réalisée suite à l'étude des limitations inhérentes au lissage des surfaces de silicium par recuit thermique rapide (RTA). Enfin, l'évolution de la topographie lors de l'oxydation thermique permet de mettre en évidence un comportement fractal présentant un exposant de rugosité (α=-0.5) montrant un bon accord avec le modèle de croissance de Edward-Wilkinson. Par ailleurs, l'influence de divers paramètres, entrant en jeu dans le polissage mécano-chimique (CMP), a été étudiée expérimentalement. Ce travail fournit l'ensemble des outils nécessaires à l'analyse multi-échelle de la topographie ainsi que des variations d'épaisseur des couches fines, sur une vaste gamme spectrale. L'étude approfondie des différentes étapes technologiques, permet une meilleure compréhension de ces dernières et facilite ainsi l'amélioration de l'uniformité de l'épaisseur pour des couches fines.