Cette thèse a pour but d'étudier le transport de charges pho- togénérées dans des matériaux hybrides composés de polymères π-conjugués et de nanocristaux de semi- conducteurs, conçus pour des applications en opto-électronique. La synthèse chimique permet d'obtenir des nanocristaux de CdSe à l'échelle du gramme ayant une faible polydispersité et des formes contrôlées (sphériques, branchées). Les ligands de surface des nanocristaux de CdSe sont échangés par de petites molécules (pyridine, éthanedithiol, phénylènediamine, butylamine, benzènedithiol) afin d'augmenter leur conductivité. L'échange de ligands modifie les niveaux énergétiques des nanocristaux, comme le montrent des études optiques et électrochimiques. Le poly(3-hexylthiophène) déposé sous forme de couches minces présente différents degrés de couplage intermoléculaire et de désordre énergétique selon la méthode de dépôt et le solvant utilisé. Dans les films hybrides, des mesures de diffraction de rayons X en incidence rasante montrent que la structuration cristalline de la matrice organique est modifiée par la présence des nanocristaux. Les mesures de Temps-de-Vol dans les couches hybrides montrent que les mobilités des trous et des électrons varient avec le contenu en nanocristaux, ainsi qu'avec leur forme et leurs ligands. De faibles fractions de nanocristaux provoquent une amélioration de la mobilité des trous, tandis que de plus grandes fractions la détériorent. Les mobilités électroniques sont soumises à une fraction-seuil, as- similable à un seuil de percolation. La fraction optimale de nanocristaux, du point de vue des mobilités des trous et des électrons, est de 36% en volume pour les nanocristaux sphériques avec les ligands de synthèse. Enfin, les simulations Monte-Carlo des courants transitoires photo-générés, dans un échantillon de poly(3-hexylthiophène) et dans un hybride, montrent d'une part que la distribution énergétique du poly(3-hexylthiophène) domine l'allure des courants simulés et d'autre part que les nanocristaux peuvent être assimilés à des sites difficilement accessibles du réseau cubique. / The aim of this work is the study of photogenerated charge transport in hybrid films composed of π-conjugated polymers and of semiconductor nanocrystals, designed for applications in optoelectronics. Chemical synthesis provides gram-scale samples of CdSe nanocrystals, of low polydispersity and con- trolled shapes (spherical, branched). In order to enhance their conductivity, the surface ligands of CdSe nanocrystals (stearic acid, oleylamine) are exchanged by smaller molecules, namely pyridine, ethanedithiol, phenylenediamine, butylamine and benzenedithiol. Optical and electrochemical studies show that the lig- and exchange modifies the nanocrystals' energy levels. Poly(3-hexylthiophene) thin films exhibit varying degrees of energetical disorder and of intermolecular coupling, depending on the processing method and on the solvent used. In hybrid films, the crystallinity of P3HT, probed by grazing incidence X-ray diffraction, is modified by the presence of nanocrystals. Time-of-Flight measurements of hybrid films show that elec- tron and hole mobilities vary with the content of nanocrystals, with their shape, and with their ligands. Small volume fractions of nanocrystals enhance the hole mobility, and large fractions degrade it. Electron mobilities are percolation-limited: they reach a stable value for a threshold fraction of nanocrystals. The optimal fraction of nanocrystals for electron and hole mobilities is 36 vol% in hybrids made of spherical nanocrystals with their synthesis synthesis ligands. Finally, Monte Carlo simulations of photogenerated current transients in pristine poly(3-hexylthiophene) and in a hybrid sample show on one hand that the energy distribution of poly(3-hexylthiophene) rules the shape of the simulated transients, and on the other hand that nanocrystals can be described as little accessible sites of the hopping lattice.

Cette thèse présente une étude de la sensibilité à la physique au delà du modèle standard et en particulier aux couplages anormaux entre les photons et les bosons W. Ceci est réalisé en détectant dans ATLAS les protons intacts après interaction et en mesurant leur temps de vol avec une précision de quelques pico-secondes de part et d’autre du détecteur central.Je décrirai également les photo-détecteurs de grande superficie avec une précision de quelques pico-secondes et les algorithmes de reconstruction de temps basés sur l’échantillonnage rapide du signal. Le circuit intégré spécifique SamPic pour une mesure de temps de très haute précision sera enfin présenté ainsi que les premiers résultats de mesure avec ce circuit. Ils montrent en particulier une précision exceptionnelle, meilleure que 5 ps, sur la mesure de temps entre deux impulsions. / In this thesis, we present a study of the sensitivity to Beyond Standard Model physics brought by the design and installation of picosecond time-of-flight detectors in the forward region of the ATLAS experiment at the LHC. The first part of the thesis present a study of the sensitivity to the quartic gauge anomalous coupling between the photon and the W boson, using exclusive WW pair production in ATLAS. The event selection is built considering the semi-leptonic decay of WW pair and the presence of the AFP detector in ATLAS. The second part gives a description of large area picosecond photo-detectors design and time reconstruction algorithms with a special care given to signal sampling and processing for precision timing.The third part presents the design of SamPic: a custom picosecond readout integrated circuit. At the end, its first results are reported, and in particular a world-class 5ps timing precision in measuring the delay between two fast pulses.

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Cette thèse est consacrée à l'étude des mécanismes de refroidissement du fullerène C60 après une excitation laser nanoseconde. Dans ce régime temporel, l'énergie absorbée est redistribuée sur tous les degrés de liberté de l'agrégat provoquant une cascade de fragmentations par émission de molécules C2. Un processus d'ionisation retardée est mis en évidence pour chaque taille d'agrégat produit. Les cations ainsi formés peuvent à leur tour se fragmenter par émission de C2. Notre dispositif expérimental, constitué d'un spectromètre à imagerie résolu en temps type velocity-map combiné à un spectromètre de masse à temps de vol type Wiley-McLaren, permet d'extraire les spectres en énergie cinétique des photoélectrons ou des photoions issus de la chaîne de désexcitation de C60. Ces spectres sont comparés à un modèle statistique basé sur le formalisme de Weisskopf. Un algorithme Monte Carlo a été développé afin de reconstituer le spectre de temps de vol de C60. Les informations extraites des simulations, tels les énergies internes et les rapports de branchement à chaque étape du déclin, complètes idéalement l'analyse des processus mis en jeu.

L'hadronthérapie est une technique de traitement de tumeurs basée sur l'irradiation par un faisceau d'ions. La distribution de dose peut être contrôlée durant le traitement par plusieurs techniques dont la tomographie par émission de positons (TEP). En effet, les collisions nucléaires entre les ions incidents et le milieu cible produisent des émetteurs bêta+, dont la distribution spatiale est corrélée à la dose. Toutefois, cette application est pénalisée par une faible activité bêta+, une forte activité parasite, et nécessite une reconstruction rapide. La mesure de temps de vol semble un facteur crucial pour rendre cette technique faisable. Ce travail part d'un concept d'électronique frontale basé sur l'échantillonnage et le traitement numérique des signaux de détecteurs pour reconstruire l'énergie et le temps. Les limites statistiques à la résolution temporelle déterminées par le processus de scintillation sont examinées théoriquement. Un dispositif expérimental à deux détecteurs à scintillation en coïncidence est utilisé pour tester différents algorithmes : des discriminateurs (à seuil fixe, à fraction constante) et des filtres numériques (moindres carrés, optimal, passe-bas). Leurs performances temporelles sont similaires, excepté le filtre des moindres carrés, inadapté au bruit non-stationnaire du signal de scintillation. Plusieurs scintillateurs et configurations sont testés, confirmant l'importance du rendement lumineux, des constantes de temps de scintillation et de la réponse du photodétecteur. Un détecteur à base de photodiode à avalanche est testé dans le cadre de la construction d'un démonstrateur multivoies, qui sera utilisé pour des tests en faisceau.

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Cette thèse a pour but d'étudier le transport de charges pho- togénérées dans des matériaux hybrides composés de polymères π-conjugués et de nanocristaux de semi- conducteurs, conçus pour des applications en opto-électronique. La synthèse chimique permet d'obtenir des nanocristaux de CdSe à l'échelle du gramme ayant une faible polydispersité et des formes contrôlées (sphériques, branchées). Les ligands de surface des nanocristaux de CdSe sont échangés par de petites molécules (pyridine, éthanedithiol, phénylènediamine, butylamine, benzènedithiol) afin d'augmenter leur conductivité. L'échange de ligands modifie les niveaux énergétiques des nanocristaux, comme le montrent des études optiques et électrochimiques. Le poly(3-hexylthiophène) déposé sous forme de couches minces présente différents degrés de couplage intermoléculaire et de désordre énergétique selon la méthode de dépôt et le solvant utilisé. Dans les films hybrides, des mesures de diffraction de rayons X en incidence rasante montrent que la structuration cristalline de la matrice organique est modifiée par la présence des nanocristaux. Les mesures de Temps-de-Vol dans les couches hybrides montrent que les mobilités des trous et des électrons varient avec le contenu en nanocristaux, ainsi qu'avec leur forme et leurs ligands. De faibles fractions de nanocristaux provoquent une amélioration de la mobilité des trous, tandis que de plus grandes fractions la détériorent. Les mobilités électroniques sont soumises à une fraction-seuil, as- similable à un seuil de percolation. La fraction optimale de nanocristaux, du point de vue des mobilités des trous et des électrons, est de 36% en volume pour les nanocristaux sphériques avec les ligands de synthèse. Enfin, les simulations Monte-Carlo des courants transitoires photo-générés, dans un échantillon de poly(3-hexylthiophène) et dans un hybride, montrent d'une part que la distribution énergétique du poly(3-hexylthiophène) domine l'allure des courants simulés et d'autre part que les nanocristaux peuvent être assimilés à des sites difficilement accessibles du réseau cubique.

Cette thèse présente une étude de la sensibilité à la physique au delà du modèle standard et en particulier aux couplages anormaux entre les photons et les bosons W. Ceci est réalisé en détectant dans ATLAS les protons intacts après interaction et en mesurant leur temps de vol avec une précision de quelques pico-secondes de part et d'autre du détecteur central.Je décrirai également les photo-détecteurs de grande superficie avec une précision de quelques pico-secondes et les algorithmes de reconstruction de temps basés sur l'échantillonnage rapide du signal. Le circuit intégré spécifique SamPic pour une mesure de temps de très haute précision sera enfin présenté ainsi que les premiers résultats de mesure avec ce circuit. Ils montrent en particulier une précision exceptionnelle, meilleure que 5 ps, sur la mesure de temps entre deux impulsions.

La médecine moderne fait usage de divers appareils pour faciliter le diagnostic et le traitement des maladies. Parmi ceux-ci, l’imagerie par tomographie d’émission par positrons (TEP) se démarque par sa capacité d’imager des processus biologiques spécifiques comme le métabolisme du glucose. Cette caractéristique permet de mettre en évidence des signes distinctifs des maladies comme le cancer à l’aide de radiotraceurs capables de cibler certaines cellules. Dans le but de favoriser de meilleurs diagnostics et de mener des recherches de pointe dans le domaine médical, la qualité des images produites par les appareils TEP doit être améliorée. Les avancées des dernières années ont permis d’améliorer la résolution spatiale des images jusqu’à pratiquement atteindre la limite théorique imposée par le déplacement du positron lors du processus de désintégration. Depuis, les travaux s’orientent plutôt vers l’amélioration du contraste de l’image en intégrant la mesure du temps de vol (TdV) dans l’algorithme de reconstruction. Le défi dans cette mesure réside dans la conception d’un photodétecteur avec une résolution temporelle suffisante pour localiser le lieu d’émission du radiotraceur entre deux détecteurs coïncidents. La plupart des photodétecteurs actuels utilisent un seuil sur le nombre de photons de scintillation observé pour déterminer le temps d’arrivée des photons d’annihilation dans le scintillateur. Cependant, plusieurs travaux ont démontré qu’une meilleure résolution temporelle est atteignable en pondérant adéquatement l’information temporelle numérisée de plusieurs photons de scintillation à la place de n’en considérer qu’un seul. Dans le but d’améliorer la résolution temporelle des photodétecteurs, l’utilisation d’un estimateur statistique combinant l’information de plusieurs photons de scintillation se révèle une méthode prometteuse en considérant les résultats théoriques. Cependant, une implémentation matérielle pouvant être intégrée à un appareil TEP reste à être démontrée. Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur l’intégration d’un tel estimateur statistique à un photodétecteur pour la TEP. Ces travaux ont mené au développement d’une chaine d’acquisition qui comporte 1) un circuit de lecture, 2) une trieuse, 3) un filtre de bruit thermique et 4) un estimateur statistique du temps d’interaction basé sur le Best Linear Unbiased Estimator (BLUE). L’intégration de cette chaine à même le circuit intégré du photodétecteur de 1 x 1 mm2 en CMOS 65 nm permet de réduire la bande passante de 250 Mbit/s à 0,5 Mbit/s et le temps mort de 68,6 μs à 1024 ns. Des simulations démontrent l’atteinte d’une résolution temporelle qui s’approche de la limite inférieure théorique (appelée borne de Cramér-Rao) quant à la résolution temporelle atteignable par ce photodétecteur.

La compréhension de l'irradiation à l'échelle du nanomètre dans les systèmes biomoléculaires nécessite l'observation de caractéristiques nouvelles auxquelles les développements techniques actuels nous permettent d'accéder. Ce travail se situe au coeur de la construction du nouveau dispositif DIAM Dispositif d’Irradiation d’Agrégats de Molécules biologiques développé à l’Institut de Physique Nucléaire de Lyon. Le développement d’une source d’agrégats associée à un spectromètre de masse à double focalisation a permis l’obtention des premiers faisceaux d’agrégats moléculaires protonés sélectionnés en masse. De plus, un système de détection innovant a été développé et validé dans des expériences de dissociations d’agrégats d’eau protonés par collision sur un gaz. Les résultats obtenus contribuent à la connaissance de la stabilité et de la structure des petits agrégats d’eau protonés et des agrégats mixtes d’eau et de pyridine protonés / Nanoscale characterization of irradiation in biomolecular systems requires observation of novel features which are now achievable with the recent technical progress. This work is a central part in the development of DIAM which is a new experimental set-up devoted to irradiation of biomolecular clusters at the Institut de Physique Nucléaire de Lyon. The development of the cluster source and of a double focusing mass spectrometer leads to the production of intense beams of mass selected protonated molecular clusters. Combined with this mass selected cluster beams an innovative detection technique is demonstrated in collision induced dissociation experiments. The results contribute to the knowledge of the stability and the structure of the small protonated water clusters and mixed clusters of water and pyridine