Une des découvertes majeures faites par l'astronomie infrarouge est la présence de molécules polycycliques aromatiques hydrogénées (PAH) dans les milieux interstellaires et circumstellaires. Ces macromolécules jouent un rôle essentiel dans la physique et chimie du milieu interstellaire (MIS). Cependant aucune espèce individuelle n'a pu être identifiée jusqu'à présent malgré de nombreuses études observationnelles, des travaux de modélisation et des expériences dédiées en laboratoire. Progresser dans cette identification nécessite de caractériser la nature de ces PAH qui est conditionnée par les processus de formation et d'évolution par photodissociation UV et réactivité chimique. Il s'agit ensuite d'obtenir des signatures spectroscopiques spécifiques. Ces sujets sont abordés expérimentalement dans ce travail en utilisant l'expérience PIRENEA dédiée à l'étude de la physico-chimie interstellaire. Dans la première partie de cette thèse, j'ai mesuré la photodissociation de ces espèces isolées dans le piège à ions de PIRENEA. L'objectif scientifique de cette étude est d'apporter des informations sur le processus de destruction des PAH par irradiation UV-visible et d'évaluer leur contribution à la formation de petits hydrocarbures et d'agrégats carbonés dans le MIS. Un inventaire des espèces produites par photodissociation a été fait pour chacune des molécules considérées et les principales voies de dissociation ont été identifiées. Dans la deuxième partie du travail, je présenterai une étude sur la spectroscopie visible de différents cations PAH et dérivés déshydrogénés réalisée par dissociation multiphotonique. Les résultats expérimentaux ont été comparés à des spectres théoriques obtenus avec un modèle de la théorie de la fonctionnelle de la densité et à des données spectroscopiques mesurées en matrices de gaz rare. Un modèle décrivant la photophysique des ions a été utilisé pour déterminer les sections efficaces d'absorption de certaines espèces étudiées. Ces données peuvent être utiles pour la pré-sélection de candidats aux bandes diffuses interstellaires, bandes qui sont observées en absorption dans le MIS depuis près d'un siècle et qui restent non identifiées.

Malgré les rapides progrès technologiques dans les nitrures, les propriétés intrinsèques des alliages de nitrures et les processus physiques qui gouvernent la physique de ces dispositifs sont encore mal connus. Au cours de mon travail de thèse, de nouvelles approches expérimentales et théoriques ont été développées pour aborder l’étude des mécanismes microscopiques qui gouvernent les propriétés électroniques des dispositifs à base de nitrures semi-conducteurs. Une nouvelle technique expérimentale permettant de mesurer directement la distribution en énergie des électrons de conduction d’une LED en fonctionnement est explorée. Cette approche permet l’observation directe de populations d’électrons chauds excités dans le dispositif optoélectronique sous injection électrique et émis dans l’ultravide. Une théorie récente de la localisation dans les systèmes désordonnés est appliquée aux matériaux et dispositifs optoélectroniques à base de nitrures. Cette méthode permet pour la première fois la détermination du paysage de localisation induit par le désordre d’alliage sans résoudre l’équation de Schrödinger. Expérimentalement, une signature claire du désordre d’alliage est observée par des mesures de spectroscopie de photocourant dans des puits quantiques d’InGaN sous forme d’une queue d’Urbach pour des excitations d’énergie inférieure à la largeur de la bande interdite. Ceci permet de définir une énergie caractéristique du désordre qui est en excellent accord avec les prédictions fournies par la nouvelle théorie de la localisation. / In spite of the rapid technological progress in nitrides, the intrinsic properties of nitride alloys and the physics of III-N devices are still not well understood. In the course of my thesis work, novel experimental and theoretical approaches to tackle the study of the microscopic mechanisms governing the electronic properties of nitride semiconductors have been developed. A new experimental technique allowing to directly measure the energy distribution of conduction electrons of an operating LED is explored. This approach allows the direct observation of hot electron populations excited in the optoelectronic device under electrical operation and emitted in ultra-high vacuum. A recent theory of localization in disordered systems is applied to nitride materials and optoelectronic devices. This method allows for the first time the determination of the localization landscape induced by alloy disorder without resorting to the Schrödinger equation. Experimentally, a clear signature of alloy disorder is observed by biased photocurrent spectroscopy of InGaN quantum wells in the form of an Urbach tail for below-gap excitation and is found to be in excellent agreement with the predictions given by the novel localization theory.

Cette thèse s'appuie sur la spectroscopie de NiH établie à la fin des années 1980 et au début des années 1990, principalement par le groupe du Pr. R. W. Field au MIT. Les mesures expérimentales ont amélioré de manière significative les travaux antérieurs, tant en spectroscopie en champ nul qu'en spectroscopie Zeeman. Le radical NiH est obtenu avec une source à décharge à température ambiante (310 K). Les radicaux formés dans la décharge sont excités par un laser continu à colorant et étudiés soit en spectroscopie d'excitation laser soit en fluorescence dispersée. Un circuit magnétique à aimants permanents (NdFeB) fournit un champ magnétique statique (0.4 - 0.9 T). En champ nul, les spectres de fluorescence par transformée de Fourier ont élargi les observations de l'état électronique fondamental jusqu'à 6000 cm-1, pour 58NiH et 60NiH. Les énergies sont modélisées avec un Hamiltonien effectif obtenu à partir du formalisme du modèle du 3d9 supermultiplet développé par le groupe de Field. Les mesures Zeeman se sont principalement concentrées sur l'étude des états Ω=3/2. Les facteurs de Landé effectifs ont été déterminés pour chaque niveau ro-vibrationnel pour les états de basse énergie et les états excités de 58NiH. L'inhabituelle dépendance en J des facteurs de Landé obtenus pour les états de basse énergie est expliquée par le modèle du supermultiplet, quantifiant alors l'ampleur des mélanges spin-orbite présents dans les états inférieurs. Les transitions étudiées ont un intérêt astrophysique depuis que plusieurs transitions d'hydrure métallique ont été observées dans les spectres d'étoiles froides et les taches solaires.

La reconnaissance chirale joue un rôle fondamental dans la chimie du vivant. On suppose qu'elle a lieu grâce à la formation de paires de contact transitoires et faiblement liées dont l'étude est difficile en solution. C'est pourquoi nous avons étudié ces paires faiblement liées isolées en phase gazeuse à basse température en jet supersonique, par spectroscopie laser électronique et vibrationnelle. Le but de ce travail est la compréhension au niveau microscopique des forces responsables de la reconnaissance chirale.

Des aciers renforcés par dispersion de nano-particules d'oxide de titane et d'yttrium (Y-Ti-O ODS), irradiés et non irradiés, ont été éxaminés par microscopie électronique en transmission à balayage couplée à la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (STEM-EELS) pour étudier leurs structures chimiques et les effets des radiations. Des méthodes analytiques telles que l'analyse statistique multivariée (MVA) et l'ajustement de courbes sur les spectres EELS sont utilisées afin de réaliser une quantification élémentaire ou d'étudier les structures fines des seuils (ELNES). Les traitements MVA permettent d'extraire les réponses spectrales indépendantes des spectre-images (SI) pour mieux comprendre la distribution spatiale des états de valence des différentes expèces. L'observation de poudres d'ODS après le broyage (MA) montre que les nano-particules (NPs) précipitent durant le traitement thermique qui suit, (consolidation). Pour les échantillons consolidés et non irradiés, les particules de taille moyenne (> 3-4 nm) adoptent une structure pyrochlore imparfaite (Y2Ti2O7-d) avec une structure coeur-coquille (Y-Ti-O)-Cr complétée par une couche de Ti réduit également dépourvue en Y. Une ségrégation de Cr est également observée aux joints de grains. Le ratio O/Ti de 3.2 et la non homogénéité de la distance entre plans (222) est due à des défauts dans la structure de la particule, confirmant ainsi qu'elles présentent de nombreux défauts et sont non stoechiométriques. L'ICA nous permet de générer des cartes d'état de valence mais aussi d'extraire une réponse interfaciale Ti-Cr; à l'interface, les atomes Ti et Cr diffusent sur une distance de quelques Å. Pour les plus petites particules, nos résultats montrent qu'elles peuvent consister soit en une structure pyrochlore hautement déficiente en oxygène (Y2Ti2O6+d) soit en une structure chimique inconnue YaTibOc. Le ratio O/Ti diminue de 3-3.5 vers des valeurs inférieures à 1 pour des tailles allant de 4 à 1.8 nm. Les plus grandes particules (de quelques dizaines à quelques centaines de nm), des oxides et/ou nitrures Ti-O, N-Ti, Y-Ti-O ne représentent qu'une faible proportion du nombre total des NPs (< 1%). Pour étudier les effects des irradiations aux neutrons, un certain nombre d'échantillons ODS furent implantés avec des ions He+ et irradiés avec des ions Fe+. Après l'irradiation et l'implantation, une distribution homogène de bulles d'He à haute pression est observée ainsi que des déplétions, ségrégations et précipitations de Cr induites par irradiation (RID, RIS et RIP). Les bulles sont fréquemment observées piégées à l'interface NP-matrice, cependant elles sont aussi observées piégées par des dislocations, libres dans la matrice et aux joints de grains. Le seuil He-K (21.218 eV pour les atomes libres) se déplace vers des énergies plus hautes (ΔE = 0.5 à 4 eV); nous montrons que ce déplacement est corrélé avec la densité d'He. La quantification de l'He est réalisée à l'aide de trois méthodes différentes: différence spatiale, ajustement de courbes, MVA. Les valeurs de la densité et de la pression atteignent 100 nm-3 et 8 GPa respectivement. Cependant, avec des barres d'erreur pouvant atteindre 30%, les mesures de la pression sont plutôt semi-quantitatives. La méthode d'ajustement de courbes permet une cartographie de la position et de l'intensité du pic He-K et donc une cartographie de la densité pour des bulles individuelles. Les réponses spectrales de bulles individuelles peuvent être extraites d'un SI contenant plusieurs bulles à différentes densités en utilisant l'ICA ou l'analyse de la composante vertex (VCA). Nos mesures montrent que les bulles plus grandes que 4 nm sont sous préssurisées ou à l'équilibre avec la matrice Fe-Cr. En dessous de 3.5 nm, la pression de l'He augmente rapidement, correspondant à un état surpressurisé. / Irradiated and non-irradiated (Y-Ti-O) oxide-dispersion-strengthened (ODS) steels are investigated by scanning transmission electron microscopy coupled with electron energy-loss spectroscopy (STEM-EELS) to study their chemical structure and the effects of radiation. Analytical methods such as multivariate statistical analysis (MVA) and EELS curve-fitting are carried out to achieve elemental quantification or study the edge fine structures (ELNES). Using MVA, the spectrum-images (SI) can be separated into independent spectral responses to gain insights into the valence state of various elements such as Ti or Cr. Investigations on post-mechanical-alloyed (MA) powders show that the nanoparticle (NP) precipitation occurs only after a further high-temperature treatment (consolidation). In non-irradiated consolidated samples, medium-sized NPs (> 3-4 nm) are found to adopt a Y2Ti2O7-d defective pyrochlore structure with a (Y-Ti-O)-Cr core-shell structure with a reduced-Ti layer also depleted in Y. Cr is also shown to segregate to the grain boundaries in non-irradiated samples. The measured O/Ti ratio of 3.2 found for medium-sized NPs and the observed non-homogeneity of the inter-reticular distance d222 through the particle is interpreted as being due to defects in the particles’ structure; it is indeed confirmed that Y2Ti2O7 medium-sized NPs in ODS steels present numerous defects and are non-stoichiometric. The Ti oxidation state is shown to vary from the centre of the NPs to their periphery from Ti4+ in distorted Oh symmetry to a valency often lower than 3+. Independent component analysis (ICA) allows us to generate bonding maps and extract a Ti-Cr interfacial response. An inter-diffusion of Ti and Cr atoms is observed at this interface. The smallest NPs present a different and ill-defined structure and interface with the Fe-Cr matrix. They either consist of a highly oxygen-deficient pyrochlore structure (Y2Ti2O6+d) or an unknown YaTibOc chemical structure. The O/Ti ratio decreases from 3-3.5 to below 1 for an NP size going from 4 to 1.8 nm. A few large particles (sized from tens to hundreds of nm) present a N-Ti-O or Ti-O chemistry but represent only a small percentage of all the NPs (< 1%). To study the neutron irradiation-induced changes, a number of ODS samples were implanted with He+ ions and irradiated with Fe+ ions. After irradiation, they display a homogeneous distribution of high-pressure He bubbles and radiation-induced Cr depletion, segregation and precipitation (RID, RIS and RIP). The He bubbles are frequently trapped at the NP-matrix interface, although bubbles can exist freely in the matrix, trapped by dislocations and at grain boundaries. The He-K line (21.218 eV for free atoms) shifts to higher energy in the bubbles (ΔE = 0.5 to 4 eV); this is shown to be correlated with the He density. He quantification is carried out with three different methods: spatial difference, curve-fitting and MVA. The density and pressure values are found to reach 100 nm-3 and 8 GPa respectively, although the pressure measurement is only semi-quantitative given that the error bars can reach 30%. The curve-fitting method allows us to map the He-K energy position and intensity, yielding the density, in individual bubbles. The spectral response of individual bubbles can be separated in an SI containing many bubbles at different densities using ICA or vertex component analysis (VCA). Bubbles larger than 4 nm are shown to be under-pressurized or at equilibrium with the Fe-Cr matrix. Below 3.5 nm, the He pressure is shown to increase markedly, passing into the over-pressurised regime.

Les oxydes de métaux de transition sont d'un grand intérêt en raison du large éventail de propriétés qu'ils présentent. Ils ont potentiellement de nombreuses applications technologiques dans le domaine de l'électronique, reposant en partie sur le développement de dispositifs pour la technologie de l'information nécessitant de les contacter avec des métaux. Ce travail de thèse, basé principalement sur l'utilisation de la spectroscopie de photoémission, porte sur une étude détaillée de l'interface Fe/SrTiO₃ réalisée à température ambiante, dans laquelle nous nous sommes intéressés en particulier aux propriétés structurales et électroniques. Nous montrons que le fer est épitaxié, que sa croissance est en îlots et que les films couvrent entièrement le substrat pour le dépôt de quelques monocouches atomiques. Nous mettons en évidence une réaction du métal avec le substrat lors de la formation de l'interface qui se manifeste par la présence de titane réduit à l'interface. Nous associons cette réduction du titane à la présence de lacunes d'oxygène à l'interface Fe/SrTiO₃. Alors que la hauteur de barrière Schottky attendue pour une jonction abrupte Fe/SrTiO₃(001) est d'environ 1 eV pour les électrons, nous montrons que la présence des lacunes d'oxygène à l'interface abaisse la hauteur de barrière Schottky à environ 0,05 eV. La création de lacunes d'oxygène lors du dépôt de fractions de monocouche de fer sur le SrTiO₃ conduit aussi à une métallisation de la surface du semi-conducteur. Ce mécanisme est relié à la création d'états donneurs chargés positivement associés aux lacunes d'oxygène pendant le dépôt. Pour déterminer le profil de bande dans le substrat nous avons résolu l'équation de Poisson à une dimension dans une approche de la théorie de la fonctionnelle de la densité modifiée, en tenant compte de la couche d'accumulation d'électrons. Confrontant ces calculs avec nos résultats de photoémission nous trouvons que le potentiel de surface présente des inhomogénéités spatiales parallèlement à la surface. / Transition metal oxides are of great interest because of the wide range of properties they exhibit. They have potentially many technological applications in the field of electronics, especially based on the development of devices for information technology requiring contacting these oxides with metals. This thesis work, mainly based on photoemission spectroscopy, is a detailed study of the Fe/SrTiO₃ interface grown at room temperature in which we focus in particular on structural and electronic properties. We show that iron has an epitaxial growth with an island morphology and that films completely cover the substrate for the deposition of few atomic monolayers. We demonstrate that the metal reacts with the substrate during the formation of the interface which results in the presence of reduced titanium at the interface. We associate this reduction of titanium with the presence of oxygen vacancies at the Fe/SrTiO₃ interface. While the expected Schottky barrier height for a Fe/SrTiO₃(001) abrupt junction is about 1 eV for electrons, we show that the presence of oxygen vacancies at the interface lowers this Schottky barrier height to about 0.05 eV. The creation of oxygen vacancies during the deposition of fractions of iron monolayer on SrTiO₃ also leads to the metallization of the semiconductor surface. This mechanism is related to the creation of positively charged donor states associated with oxygen vacancies during deposition. To determine the band profile in the substrate, we solved the one-dimensional Poisson equation in a modified approach of the density functional theory taking into account the electron accumulation layer. By comparing these calculations with our photoemission results, we find that the surface potential has spatial inhomogeneities parallel to the surface.

Ce travail présente une synthèse des activités de recherche effectuées pendant mon stage post-doctoral à l'Université de Liège (Belgique) et depuis ma nomination en tant que Maître de Conférences à l'Université Lille1. La thèmatique générale est l'application des méthodes de la chimie quantique, essentiellement les techniques d'interactions de configurations et de perturbation, à l'étude des états électroniques excités - notamment avec un rayonnement synchroron - de molécules en phase gazeuse. Dans certains cas, la structure vibrationnelle a aussi été modélisée. Ces travaux se caractérisent par une forte interaction avec des groupes d'expérimentateurs européens (Danemark, Belgique, France, Grande-Bretagne, Serbie), en particulier dans le cadre des programmes européens "RADAM" (Radiation Damage in Biomolecular Systems) et "EIPAM" (Electron Induced Processing At the Molecular Level). Ils s'articulent en trois thèmes : a) Structure et fragmentation de molécules doublement ionisées (dications) Les dications sont métastables avant que la répulsion coulombienne ne les dissocie. Dans les cas de C2H2++ et CH3Cl++, les calculs expliquent quantitativement la présence des fragments observés, en particulier la paire C+/CH2+ provenant d'une isomérisation préalable de C2H2++. b) Spectroscopie en couches de valence (UV et ionisation) Que ce soit pour des molécules d'intérêt atmosphérique (c-C4F8, c-C5F8) ou biologique (tétrahydrofurane, isoprène, limonène, acides gras), la taille du système ne permet pas l'usage des méthodes multiconfigurationnelles. Les seules alternatives sont la fonctionnelle de densité (TD-DFT) ou les techniques "Coupled Cluster". c) Spectroscopie en couches internes Du fait de la nature très excitée des états à calculer, les techniques standard ne sont pas applicables. Nous avons mis au point un protocole qui permet de calculer les spectres en couche K d'atomes légers (C, N, O) avec une excellente précision, y compris pour les états doublement excités. Cela nous a permis d'interpréter ou de ré-interpréter les spectres de molécules organiques telles que des dérivés du benzène (azobenzènes), des furanes, du cyclopropane et plus récemment des acides acétique et propynoïque. Nous envisageons d'appliquer cette méthode à des complexes d'actinides (par exemple UCl62-) au seuil 1s du chlore.

ASR, est une protéine photo réceptrice qui lie la base protonée de la rétine de Schiff dans deux conformations de l'état fondamental. La protéine particulière consiste en un système modèle dans lequel I'effet de l'environnement protéique sur la dynamique d'isomérisation des deux isomères peut être étudié. Dans cette thèse, une étude approfondie sur les protéines mutées ponctuellement est présentée, où la variable est l'environnement protéique. Les résultats montrent des différences significatives entre les durées de vie des états excités des deux isomères et les durées de vie plus courtes ou plus longues commentées en termes de mélange électronique Sl/S2. En complément, le développement expérimental d'un spectromètre à absorption transitoire (T.A) et d'un dispositif de spectroscopie électronique bidimensionnelle (2DES) fonctionnant respectivement dans les domaines spectral NIR et UV-Vis. Avec cette configuration, deux impulsions colinéaires à verrouillage de phase d'une durée inférieure à 10fs sont générées, où. la précision interférométrique sur le contrôle du retard entre les deux impulsions de pompe permet d'effectuer des mesures 2DES. / ASR, is a photoreceptor protein that binds the protonated Schiff base of retinal in two ground state conformations. The particular protein consists a model system where the effect of the protein environment on the isomerization dynamics of the two isomers can be investigated. In this thesis an extended study on point mutated proteins is presented where the variable is the protein environment. The results show significant differences between the two isomers excited state lifetimes with the shorter or longer lifetimes commented in terms of Sl/S2 electronic mixing. Supplementary, the experimental development of a Transient absorption spectrometer (T.A) and a Two-dimensional electronic spectroscopy setup (2DES) operating in the NIR and UV-Vis spectral range respectively are described. The 2DES spectrometer is based on translating wedges made out of birefringent material producing two collinear phase-locked pulses with sub-I Ofs duration. The interferometric precision on controlling the delay between the two pump pulses allows to perform 2DES measurements on systems absorbing in the 360-430 nm range allowing to resolve the excitation process spectrally.

L'objectif principal du travail effectué au cours de cette thèse était de développer, caractériser et analyser des matériaux originaux pour des réactions d'oxydation photosensibilisée. Une attention particulière a été accordée à la détermination des propriétés photophysiques des sensibilisateurs (PSs) et à l'effet induit par l'immobilisation sur un support inerte (silice). Les espèces réactives formées lors de l'irradiation ont été identifiées et analysées. La production d'oxygène singulet a été suivie par deux méthodes complémentaires. Les sensibilisateurs supportés ont été employés, sous la forme de monolithes ou de poudres, pour la photo-oxydation du diméthyl sulfure à l'interface gaz-solide et de l’-terpinène à l'interface liquide-solide. L'oxygène singulet est la principale espèce réactive de l’oxygène formée par les PSs sélectionnés; néanmoins, les produits de réaction ont été analysés afin de mettre en évidence d’autres mécanismes. / The main aim of the work carried out during this PhD project was to develop, characterize and analyze original materials for photosensitized oxidation reactions. Particular attention was paid to the determination of the photophysical properties of the selected photosensitizers (PSs) and the effect induced by the immobilization on an inert support (silica). The reactive species formed upon irradiation were identified and analyzed. Singlet oxygen production was monitored by two complementary methods. The solid-supported sensitizers were employed, in the form of either monoliths or powders, for the photooxidation of dimethyl sulfide at the gas-solid interface and of -terpinene at the liquid-solid interface. Singlet oxygen was the main reactive oxygen species formed by the selected PSs; nonetheless, the reaction products were analyzed and other possible mechanistic scenarios investigated.

La formation de l'ion négatif d'hydrogène (H-) lors de collisions entre un ion positif et une cible atomique ou moléculaire neutre est étudiée expérimentalement à des énergies d'impact de l'ordre du keV. Les sections efficaces doublement différentielles de formation des ions H- sont mesurées en fonction de leur énergie cinétique et de leur angle d'émission lors des collisions OH+ + Ar et O+ + H2O à 412 eV/u.m.a. Ces ions peuvent être émis à haute énergie (keV) lors de collisions violentes quasi-élastiques à 2 corps impliquant un fort transfert d'impulsion au centre H. Cependant, les anions H- sont préférentiellement émis à faible énergie (eV) lors de collisions douces à plusieurs corps (>2) qui résultent en un faible transfert d'impulsion. La formation des ions H- par capture électronique fait suite à l'excitation ou l'ionisation de la molécule. La dynamique de la fragmentation moléculaire est modélisée afin de simuler l'émission des ions H-. L'accord globalement satisfaisant entre la simulation et l'expérience facilite l'interprétation des observations expérimentales.