Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude, la fabrication et la caractérisation de métamatériaux en vue d'applications dans le domaine millimétrique et submillimétrique. Dans un premier temps, nous avons tenu à rappeler les propriétés remarquables ainsi que les processus physiques mis en jeux par cette nouvelle génération de matériaux. Le manuscrit regroupe essentiellement des résultats issus d’études réalisées sur différentes structures en microondes et en terahertz : métamatériaux composites, métamatériaux entièrement diélectriques à base de résonances de Mie, ouvertures sublongueur d’ondes basés sur la transmission extraordinaire assistée par plasmons de surface. Nos investigations ont permis d’ouvrir la voie à de multiples applications dans les domaines des capteurs et des télécommunications. / This PhD dissertation is dedicated to the study, fabrication and characterization of metamaterials for millimeter and submillimeter applications. First of all we proposed to remind the extraordinary properties and physical processes involving within this new generation of materials. The manuscript contains results obtained from studies performed on different categories of metamaterials at microwave and terahertz frequencies: composite metamaterials, all dielectric metamaterials based on Mie resonances, subwavelength apertures based on the extraordinary transmission assisted by surface Plasmon polaritons. Our investigations have contributed to open the path to multiple potential applications in the field of sensors and telecommunications.

Les objectifs principaux de ce travail étaient d'étudier la nature des composés de cuivre formés dans les nano-zéolithes en utilisant deux approches: (i) incorporation directe du Cu via une synthèse mono pot et (ii) incorporation post-synthèse du Cu suivi par une réduction chimique. Une étude détaillée de l'évolution des espèces de cuivre dans la suspension de nano-zéolithe LTL réduite avec de l'hydrazine a révélé la formation de nanoparticules de cuivre avec des dimensions limitées par la taille de canaux et des cages de la zéolithe. Cependant, avec un temps de réduction prolongé, les NPs de Cu ont tendance à migrer vers la surface de la zéolithe en raison de leur forte mobilité dans les milieux aqueux, et donne lieu à de grosses particules de cuivre, tout en conservant la structure de la zéolithe. La réduction du cuivre donne lieu à un système complexe contenant différentes espèces de cuivre: des résidus de Cu2+, Cu+ et des NPs de Cu. Les études par spectroscopie IRTF montrent l'hétérogénéité des cations Cu 2+ et Cu + dans la zéolithe Cu-LTL préparée par échange ionique. Il a été prouvé, que l'état et le comportement du cuivre dans la zéolithe LTL dépendent fortement de la méthode utilisée pour l'incorporation du Cu, soit par échange ionique, soit par incorporation directe du Cu. Il est devenu évident que le cuivre ajouté au mélange de synthèse possède un environnement distinct et occupe une position différente quand il est comparé à celui de l’échange ionique. Il est vraisemblablement partiellement localisé dans la charpente zéolithique ou /caché dans la structureet est inaccessible pour les molécules adsorbées. De plus, les modifications post-synthèse du matériau obtenu par synthèse directe entrainent un déplacement vers des positions hors structure d’un nombre important de Cu.De plus, les films minces de zéolithes contenant du métal avec des épaisseurs différentes ont été obtenue par un procédé de revêtement par centrifugation de supports de silicium et/ou des supports optiques CaF 2. Ce dernier a été utilisé pour la détection de CO en faible concentration à température ambiante et l’étude de la réponse optique ultrarapide du matériau photo-excité en résonance avec la bande du plasmon des NPs métalliques. En résume, ce travail couvre entièrement toutes les étapes de la synthèse, la modification, la caractérisation complète et l’utilisation de nano-cristaux de zéolithe contenant du métal. La combinaison des propriétés uniques des nanoparticules de cuivre et de la polyvalence des nano-zéolites donne lieu à des matériaux avancées intéressants pour de nombreuses d'applications dans des dispositifs de taille nanométrique, la détection sélective de produit chimique, la catalyse, etc. / The main objectives of this work were to study the nature of copper species formed in the nanosized zeolites using two approaches: (i) direct incorporation of Cu via one pot synthesis, and (ii) post synthesis incorporation of Cu followed by chemical reduction. A detailed study of the evolution of copper species in the LTL nanosized zeolite suspension reduced with hydrazine revealed the formation of copper nanoparticles with the dimensions limited by the size of zeolite channels and cages. However, with prolonged reduction time, the Cu NPs tend to migrate to the zeolite surface due to their high mobility in aqueous media, resulting in large copper particles, while the zeolite structure is preserved. The reduction of copper resulted in a complex system, containing different copper species: residuals of Cu2+, Cu+, CuNPs. The results of FTIR spectroscopy show the heterogeneity of Cu2+ and Cu+ cations in the Cu-LTL zeolite prepared by ion-exchange procedure. It has been proven, that the state and behavior of copper in LTL zeolite strongly depend on the method used for Cu inclusion: ion exchange or direct Cu incorporation. It became evident, that copper added to the synthesis mixture shows distinct environment and occupies different position when compared to ion exchange. It is presumably partially located in the zeolite framework or occluded in its walls and is inaccessible by adsorbed molecules. In addition, the post-synthesis modifications of the material obtained by direct synthesis cause the displacement of a significant amount of Cu to the extra-framework positions.Further, the metal containing zeolite thin films with different thickness were obtained by spin-coating approach on silicon wafers and CaF2 optical plates. The latter were after employed for detection of low concentration of CO at ambient temperature and investigation of the ultrafast optical response of the materials photo-excited in resonance with the plasmon band of the Me NPs. In summary, the present PhD thesis fully covers the all steps from the synthesis, modification, thorough characterization, and application of metal-containing nanosized zeolite crystals. The combination of unique properties of copper nanoparticles with versatility of nanozeolites give rise to the development of advanced materials which are interesting for many applications in nanoscale devices, selective chemical sensing, catalysis etc.

Ce travail de thèse porte sur le développement d'un spectromètre laser à cascade quantique (QCL) dans le moyen infrarouge pour des applications en spectroscopie et en métrologie des fréquences. Les principaux objectifs ont été tout d'abord de lever la forte contrainte que constitue le faible domaine spectral accessible au laser à CO2 mais également d'accroître la faible puissance laser disponible pour nos expériences de spectroscopie. Ce nouvel instrument intéresse directement les expériences développées au sein du groupe Métrologie Molécules et Tests Fondamentaux : la mise en évidence de non conservation de la parité dans les molécules chirales et la détermination de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser. Au cours de ce travail de thèse, nous avons caractérisé le bruit d'intensité, le bruit de fréquence ainsi que la largeur de raie de la source QCL libre. Les résultats obtenus comparés à la littérature montrent une grande qualité spectrale de cette source laser. L'asservissement en phase de la source QCL sur un laser à CO2 ultra-stable a permis de démontrer le transfert des propriétés spectrales du laser à CO2 à la source QCL. Le spectromètre a ensuite été utilisé pour des expériences de spectroscopie en absorption linéaire des molécules NH3 et de la molécule de Méthyltrioxorhénium, molécules d'intérêt pour les projets de mesure de la constante de Boltzmann et de recherche d'un et de la non-conservation de la parité. Le potentiel de ce spectromètre a également été démontré dans des expériences de spectroscopie à très haute résolution, en absorption saturée. / This thesis is devoted to the developpement of a laser spectrometer quantum cascade to frequency metrology and high-resolution spectroscopy. The objective of this work is to developp a new tool for projects in our group : Measuring the Boltzman constant and test of non conservation of parity. Thus the new source was characterized by measuring its spectral density noise, amplitude noise and its emission line width. The phase locking of the QCL on the CO2 laser has achived spectroscopy NH and MTO, molecules of interest for the projects of the group mentioned aboive respectively.

Les propriétés de transport et de diffusion e l'ion F ont été étudiées au sein de plusieurs séries de matériaux fluorés. La première partie de ce mémoire est consacrée à l'application du modèle des processus de clutérisation établi par J. M. Reau aux solutions solides de structure dérivée du type fluorine et comportant des cations substitutionels tétravalents. Cette étude a montré que ce modèle est un modèle général qui permet 'évaluer la nature et le nombre de porteurs de charge à longue distance en fonction de la composition. Les porteurs de charge dans les solutions solides M1xM"xF2+2x (M = Ca, Sr, Ba Pb ; M" = Th, U) ont été identifiés ux ions fluorure interstitiels F" et les processus de clutérisation ont été proposés au sein de ces solutions soles.<br />Les propriétés de transport et de diffusion de l'ion F - dans les phases du système BiF"-NH4F sont l'objet de la seconde partie de ce mémoire. Les phases de l'ammonium comparées aux phases homologues du rubidium compotent une plus grande mobilité de l'ion F- qui a été attribuée à des mouvements assistés de rotation/réorientation des ions NH4+. Cette hypothèse est confirmée par des investigations par RMN des phases du système BiF3-NH4F appliquées successivement aux noyaux 1H et 19F.

Ce travail porte sur l’analyse du comportement en durabilité d’une cellule à oxydes solides en fonctionnement en mode Electrolyse de la vapeur d’eau à Haute Température (EHT). Il s’agit plus particulièrement d’identifier les paramètres influant sur la durabilité de la cellule et de comprendre les mécanismes associés, de manière à établir le meilleur compromis durabilité-performance. Un premier axe de recherche correspond à la caractérisation électrochimique initiale de la mono-cellule choisie pour l’étude, à savoir une cellule à électrode support de type LSFC/YDC/8YSZ/Ni-YSZ dont le comportement électrochimique est étudié sous diverses températures, conditions de gaz et densités de courant. Ensuite, la dégradation des performances est étudiée in situ par spectroscopie d’impédance électrochimique et voltampérométrie lors de diverses études séquentielles par paliers de 200 heures. L’influence du taux de conversion et de la densité de courant sur la dégradation des performances est ainsi analysée. Pour compléter cette étude, des analyses physico-chimiques et microstructurales post tests ont été réalisées sur des échantillons ayant fonctionné 1000 heures afin de faire le lien entre les modifications électrochimiques observées et les changements de structure et de composition des matériaux de cellule. Des hypothèses de mécanismes de dégradation ont ainsi pu être formulées. / This work is dedicated to the study on the long term behavior of a solid oxide electrolysis cell (SOEC). More specifically, the target is to identify and understand the influence of main working parameters on the cell durability in order to find the best compromise between performances and durability. The initial part of this work is to characterize electrochemically the single cell selected for the study, that is to say a cathode supported cell of the type LSFC/YDC/8YSZ/Ni-YSZ at different gas conditions, temperature and current density. Then, the degradation of the cell performances has been studied by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and voltamperometry (i-V) curves during sequential tests of 200h. The influence of the most important working parameters like the current density and the steam conversion has been analyzed. To complete this study, physico-chemical and microstructural analyses have been performed on cells that have been operated over 1000 hours, to make a link between electrochemical degradation observed on the cell and composition and structural changes of cell materials.

Le développement considérable des signaux dans les bandes hyperfréquences (communications sans fil, radars, etc.) rend leur traitement extrêmement difficile. Il est en effet nécessaire d'analyser de larges bandes spectrales avec une grande résolution, ce que ne permettent pas les dispositifs purement électroniques. Une solution très prometteuse consiste à transposer les signaux hyperfréquences (hf) sur un laser puis à utiliser un cristal dopé par des ions de terres rares comme processeur. Cette technique tire parti des propriétés optiques exceptionnelles des ces matériaux, qui présentent des transitions à la fois extrêmement fines pour un centre unique (largeur homogène donnant la résolution spectrale) et larges pour un ensemble d'ions (largeur inhomogène donnant la bande d'analyse). Grâce à des techniques de pompage optique, ceci permet d'obtenir des bandes d'analyse de 20 GHz avec une résolution de 100 kHz, soit un rapport de 105. Ces résultats, obtenus dans des cristaux de Tm3+:Y3Al5O12, font l'objet d'études industrielles avancées, notamment en France par Thales, et auxquelles participe l'IRCP-MPOE. Le but du projet est de développer des cristaux dopés Er3+ pour une nouvelle génération d'analyseurs fonctionnant à 1.5 μm dans le but d'exploiter pleinement les technologies télécom en terme de transmission longue distance et de composants opto-électroniques. Les meilleurs cristaux actuels ne possèdent pas une largeur inhomogène suffisante pour l'application visée. Notre approche consistera à introduire un désordre chimique contrôlé, par exemple en utilisant un co-dopant, dans des monocristaux dopés Er3+ de haute qualité. Ceci permettra d'augmenter la largeur inhomogène optique mais pourrait aussi influencer la largeur homogène, point crucial pour l'analyse des signaux hf. Il s'agira de déterminer la nature et le niveau de désordre optimaux permettant d'obtenir les meilleures performances. D'une façon plus générale, ce travail permettra une compréhension approfondie des phénomènes dynamiques contrôlant la largeur homogène optique et de leur relation avec les structures cristallines. Outre l'analyse de signaux hyperfréquences, ceci pourra déboucher sur des avancées dans le traitement quantique de l'information dans le domaine télécom. / Significant progresses have been made recently on radar communications. However it is still difficult to analyse radar communications both efficiently and on a large frequency span. This is due to the fact that pure electronic processors are not able to process rapidly signals with high bandwidths. A very promising solution consists in transposing radar signals on a optical carrier (laser) and process the signals via rare-earths-doped single-crystals, which are able to interact efficiently with light. Rare-earth-ion doped crystals can have very narrow optical transitions at liquid helium temperature, making them attractive for applications in quantum information processing and advanced RF signal processing. One key property of these materials is the potential for a high ratio between the optical inhomogeneous and homogeneous linewidths. This allows signals with high bandwidth to be stored in quantum memories for a long time, or alternatively, the high resolution spectral analysis of RF signals. Er3+ is particularly interesting because it has a transition at 1.5 mm that is directly compatible with telecommunication components in existing optical fiber networks. The aim of the project is to enhance the bandwidths of those atomic processors by introducing a chemical disorder in the single crystals doped with Er3+. This will lead to an inhomogeneous broadening of the optical transitions and could also reduce the optical homogeneous linewidths, and so, increase the processing bandwidth for radar signals. For that, a better understanding of the nature of the dynamical processes acting on the optical homogeneous linewidth is needed.

Ce travail porte sur l'analyse du comportement en durabilité d'une cellule à oxydes solides en fonctionnement en mode Electrolyse de la vapeur d'eau à Haute Température (EHT). Il s'agit plus particulièrement d'identifier les paramètres influant sur la durabilité de la cellule et de comprendre les mécanismes associés, de manière à établir le meilleur compromis durabilité-performance. Un premier axe de recherche correspond à la caractérisation électrochimique initiale de la mono-cellule choisie pour l'étude, à savoir une cellule à électrode support de type LSFC/YDC/8YSZ/Ni-YSZ dont le comportement électrochimique est étudié sous diverses températures, conditions de gaz et densités de courant. Ensuite, la dégradation des performances est étudiée in situ par spectroscopie d'impédance électrochimique et voltampérométrie lors de diverses études séquentielles par paliers de 200 heures. L'influence du taux de conversion et de la densité de courant sur la dégradation des performances est ainsi analysée. Pour compléter cette étude, des analyses physico-chimiques et microstructurales post tests ont été réalisées sur des échantillons ayant fonctionné 1000 heures afin de faire le lien entre les modifications électrochimiques observées et les changements de structure et de composition des matériaux de cellule. Des hypothèses de mécanismes de dégradation ont ainsi pu être formulées.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse se décomposent en deux thèmes principaux, eux-même subdivisés enplusieurs projets. D'une part, des travaux ont été menés concernant l'analyse et le développement de fonctionnelles " doubles hybrides ". Une analyse des fonctionnelles " doubles hybrides " à séparation linéaire le long de la connexionadiabatique a été proposée. Une nouvelle fonctionnelle " double hybride " à séparation de portée basée sur uneséparation alternative de l'énergie d'échange et de corrélation, RSDHf, a été développée. D'autre part, des travaux quant au développement de surfaces d'énergie potentielle (SEP) analytiques ont été menés. Un nouveau potentiel analytique a été proposé pour la description de la SEP des systèmes triatomiques. La combinaison de ce potentiel avec un potentiel électrostatique a été utilisé pour le développement de SEP analytiques pour de petits systèmes en interaction faible : H2O***HF, HF2-, Ne***ClF.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse se décomposent en deux thèmes principaux, eux-même subdivisés enplusieurs projets. D'une part, des travaux ont été menés concernant l'analyse et le développement de fonctionnelles « doubles hybrides ». Une analyse des fonctionnelles « doubles hybrides » à séparation linéaire le long de la connexionadiabatique a été proposée. Une nouvelle fonctionnelle « double hybride » à séparation de portée basée sur uneséparation alternative de l'énergie d'échange et de corrélation, RSDHf, a été développée. D'autre part, des travaux quant au développement de surfaces d'énergie potentielle (SEP) analytiques ont été menés. Un nouveau potentiel analytique a été proposé pour la description de la SEP des systèmes triatomiques. La combinaison de ce potentiel avec un potentiel électrostatique a été utilisé pour le développement de SEP analytiques pour de petits systèmes en interaction faible : H2O···HF, HF2-, Ne···ClF. / Works done during this thesis split into two main themes, themselves subdivided in several projects. On the one hand, works have been led concerning the analysis and the development of double-hybrid functionals. An analysis of linearly-separated double-hybrid functionals along the adiabatic connection has been proposed. A new range-separated double-hybrid functional based on an alternative separation of the exchange-correlation energy, RSDHf, has been developed. On the other hand, works related to the development of analytic potential energy surfaces (PES) has been led. A new analytic potential has been proposed for the description of the PES of triatomic systems. The combinaition of this potential with an electrostatic potential has been used for the development of analytic PES for small systems in weak interaction : H2O···HF, HF2-, Ne···ClF.