Ce mémoire présente une vue d'ensemble de mes travaux de recherche, réalisés depuis 1995 en tant que post-doctorant au Centre de Géochimie de la Surface de Strasbourg et depuis 1998 en tant que Maître de Conférences à l'université de Franche-Comté de Besançon. Dans toutes ces études, je me suis intéressé aux échanges et transferts chimiques dans les cycles géochimiques externes, avec comme principaux outils de traçage les terres rares (TR) et les isotopes radiogéniques du Sr et du Nd.<br /> J'ai suivi une formation classique de géologue-sédimentologue, que j'ai complété au cours de ma thèse, par les outils de traçage de la géochimie élémentaire et isotopique. Le début de mes années post-doctorales marque une rupture avec mes thématiques de recherche antérieures : j'ai abandonné les problématiques de reconstitutions paléogéographiques et paléotectoniques, pour me consacrer entièrement aux processus de transferts et d'échanges chimiques dans les couches géologiques superficielles, en contexte naturel ou anthropisé.<br /> Cette réorientation a commencé par l'étude d'un sol contaminé de la région de Bâle (Suisse), suivi par un projet sur les transferts chimiques dans des gisements de sel, dans le cadre d'études de faisabilité sur le stockage de déchets radioactifs dans des dômes de sel en Allemagne. Elle s'est poursuivie par des études de circulations d'eau de mer dans le récif corallien de Tahiti et en contexte hydrothermal de basse température, sur la plaque des Cocos. Après cette incursion dans le milieu marin, je suis revenu, ces dernières années, en milieu continental avec des projets portant sur le transport des TR dans des ruisseaux du Massif Central et sur le transfert des TR à l'interface géosphère-biosphère sur des sites du Jura, des Vosges et du Kaiserstuhl (volcan inactif près de Freiburg, Allemagne). L'ensemble de ces travaux de recherche a été le fruit de nombreuses collaborations.<br /> Malgré la diversité des objets, nous avons souvent rencontré des mécanismes de transferts et d'échanges chimiques très similaires. L'identification de ces mécanismes était basée sur une utilisation combinée des TR, des isotopes et d'autres outils, tels que les éléments majeurs ou les données minéralogiques. Nous avons ainsi constaté que la mobilité des TR et d'autres métaux traces est le plus souvent liée à la présence et à la stabilité de phases accessoires, telles que l'apatite et des oxyhydroxides Fe-Mn. En ce qui concerne le transport en phase liquide, nos résultats suggèrent une influence importante de la fraction colloïdale et de la végétation. Celles-ci se combinent à d'autres paramètres de contrôle plus "classiques" (pH, Eh, complexes solubles, sorption etc.). C'est la raison pour laquelle, nous souhaitons à l'avenir intégrer d'avantage l'étude du rôle de la phase colloïdale et de la végétation à nos projets de recherche.<br /> Les TR représentent aujourd'hui un outil de traçage particulièrement pertinent dont l'analyse s'est simplifiée. Leur dosage peut, dans la plupart des cas, être intégré à une analyse de routine par ICP-MS, sans générer ni sur-coûts ni complément de travail. Il serait aujourd'hui dommage de ne pas intégrer ces dosages de TR aux analyses chimiques par ICP-MS. Toutefois, les spectres des TR doivent parfois être combinés avec des données isotopiques du Sr et du Nd afin d'écarter toute ambiguïté dans leur interprétation.

Nous avons étudié les phénomènes de croissance des interfaces terres rares sur semi conducteur

Le complexe alcalin intrusif d'Ambatofinandrahana est constitué d'une association complexe de roches gabbroïques à syénitiques, granitiques, marquées par un caractère potassique à sodi-potassique. II s'agit de roches cafémiques alcalines (classification de Debon, Lefort, 1988). Les syénites sont à minéraux ferro-magnésiens sodiques accompagnés de minéraux riches en T.R. (monazite, sphène). D'après les relations de terrain, ces syénites sont considérées comme postérieures aux gabbros d'Ifasina. L'étude des terres rares dans les syénites montre le cogénétisme de ces roches (spectres sans anomalie en Eu, riches en LREE). Le granite de Vohimavo paraît lié à une lignée magmatique différente. Datées à 455 m.a par isochrone Rb/Sr, ces syénites représentent les dernières manifestations magmatiques de Madagascar avant celles du Crétacé (N.W de Madagascar). D'après Sr0 ces syénites présentent une origine avec participation crustale. Au sein de ces roches alcalines, des minéralisations en T.R (bastnaesite, monazite et chevkinite) se présentent en filons de roches siliceuses ou en éluvions . Ces minéralisations sont de type hydrothermal et non pegmatitique. Une origine alcaline a été démontrée par l'étude géochimique de ces minéraux . En effet, ces minéraux fractionnent de façon différentielle les lanthanides selon les milieux géochimiques dans lesquels ils se forment.

Cette thèse s'est axée sur la synthèse de nanocristaux (NCs) colloïdaux semi-conducteurs III -V dopés par des ions de terre rare (TR) à l'aide de diverses méthodes de synthèses. Des séries quasi-monodisperses de nanocristaux InP et In(Zn)P ainsi que des NCs cœur/coquille fortement luminescent d'InP/ZnS et d'In(Zn)P/ZnS ont été synthétisés avec succès en faisant réagir le précurseur d'In (myristate d'indium) avec différents précurseurs phosphorés tel que le phosphore jaune, le PH3 gazeux ou le P(TMS)3 dans le 1-octadecene, solvant non-coordinant. Ces NCs ont été caractérisés par DRX sur poudre, MET, EDX, SFX, absorption UV-vis ainsi que par spectroscopies de photoluminescence en régime stationnaire (SSPL) et résolue en temps (TRPL). Les QDs constitués d'alliages tels que l'In(Zn)P et l'In(Zn)P/ZnS ont été synthétisés à l'aide d'une technique " one-pot " par réchauffement en additionnant le stéarate de zinc pendant la nucléation et la croissance des NCs d'InP. Les QDs composés d'un alliage In(Zn)P/ZnS présentent de fort rendement quantique (RQ) de photoluminescence (PL), supérieur à 70 %. Leur émission peut être facilement modulée dans la gamme spectrale allant de 480 à 590 nm (FWHM : 50 nm) en faisant varier le rapport molaire Zn2+ : In3+ et la température de réaction. Le fort RQPL est dû aux fluctuations existantes dans la bande passante de la structure de l'alliage In(Zn)P, qui contribue au bon confinement des photo-excitateurs. Les NCs In(Zn)P/ZnS dopés Eu ont été synthétisés avec succès en utilisant une méthode " one-pot " en trois étapes : (étape 1) synthèse des NCs " hôtes " en In(Zn)P ; (étape 2) croissance de la couche dopante contenant l'Eu ; (étape 3) synthèse de la coquille externe en ZnS. Des mesures optiques complémentaires - absorption, PL, PLE, spectroscopies de phosphorescence et TRPL - sont venues confirmer la réussite du dopage des NCs d'In(Zn)P/ZnS par l'Eu et ont mis en évidence l'existence d'un transfert énergétique par résonnance entre le In(Zn)P " hôte " et les ions Eu3+ " invités ". Enfin, nous avons étudié l'influence de l'environnement sur les caractéristiques optiques des QDs d'alliage In(Zn)P/ZnS en comparant des NCs inclus dans une couche mince et dispersés en solution colloïdale. Le spectre obtenu en SSPL pour des NCs In(Zn)P/ZnS inclus en couche mince présente un pic à des longueurs d'ondes plus courtes par rapport au spectre obtenu en solution. De plus, les études spectroscopiques TRPL ont montré qu'en couche mince, les NCs d'In(Zn)P/ZnS présentent des durée de vie de luminescence plus courtes ainsi qu'un du décalage spectral fortement accru avec le temps retard du moment d'excitation par rapport aux NCs en solution. Les transferts énergétique par résonnance de Förster et/ou les transferts de porteurs de charges excitées entre les NCs d'In(Zn)P/ZnS sont les principales raisons d'observer ce comportement. La présence des transferts de porteurs de charges au sein des couches minces contenant des QDs d'In(Zn)P/ZnS est très importante pour leur intégration dans des dispositifs optoélectroniques tels que les QD LEDs ou les transistors à effet de champs luminescents (LEFETs).

Ces travaux de thèse concernent l'étude de systèmes laser dopés à l'ion ytterbium pour la génération d'impulsions de forte énergie et de haute puissance moyenne, dans la perspective d'un laser permettant d'envisager la production d'énergie par fusion par confinement inertiel. En ce qui concerne le choix d'une matrice hôte, nous avons établi une figure de mérite thermomécanique et montré que les grenats et surtout les sesquioxydes de terres rares apparaissent comme les matrices les plus adaptées à la haute puissance moyenne. Quant à l'architecture des amplificateurs, nous sommes arrivés à la conclusion que des amplificateurs à disques minces pompés longitudinalement et refroidis par la face arrière constituent une excellente solution pour permettre une bonne gestion des effets thermiques. La réalisation d'un modèle numérique d'amplificateur laser dopé à l'ytterbium nous à permis d'optimiser divers paramètres de l'architecture du laser et de comparer différentes matrices dopées à l'ytterbium. Il est alors apparu que les sesquioxydes de de terres rares dopés à l'ion ytterbium constituent d'excellents matériaux amplificateurs pour la réalisation de laser de haute puissance moyenne. Il a par ailleurs été montré que les basses températures constituent une solution séduisante pour améliorer à la fois les propriétés thermomécaniques des amplificateurs laser et les propriétés spectroscopiques de l'ion ytterbium. A l'aide d'une cavité laser cryogénique, en mode relaxé, nous avons vérifié expérimentalement que les performances énergétiques des sesquioxydes d! e terres rares dopés à l'ytterbium se voient améliorées de manière très significative aux basses températures.

L'oxyde de molybdène est peu soluble dans les verres borosilicatés et peut entrainer la cristallisation de phases molybdates lors du retraitement de combustibles riches en Mo ou lorsque le taux de charge en produits de fission et actinides mineurs est élevé. Le contrôle de cette cristallisation est primordial pour garantir les propriétés de confinement des matrices. Cette thèse est consacrée à l'étude de vitrocéramiques modèles riches en phase powellite (CaMoO4) obtenues par traitements thermiques à partir d'un verre nucléaire simplifié dans le système SiO2 - B2O3 - Na2O- CaO - Al2O3 - MoO3 - TR2O3 (TR = Gd, Eu, Nd). Les terres rares (TR) sont ajoutées en tant que simulants d'actinides mineurs trivalents et comme sondes spectroscopiques. L'influence des teneurs en MoO3 et TR2O3 sur la cristallisation de la powellite a été étudiée. Une large gamme de vitrocéramiques biphasées (verre résiduel similaire + powellite) avec des tailles de cristaux variées a été obtenue. Lorsque la teneur en MoO3 est supérieure ou égale à 2.5 %mol, une séparation de phase liquide-liquide a lieu pendant la trempe. Nous avons montré, que l'ajout de terres rares inhibe la séparation de phase liée au molybdène mais entraine une décomposition spinodale du verre résiduel. La cristallisation d'un verre complexe et l'insertion des terres rares dans la structure powellite ont également été étudiées. L'influence de la microstructure des vitrocéramiques sur la création de défauts ponctuels et sur les évolutions structurales sous excitation électronique (irradiations β) a enfin été considérée. Dans ce travail, nous avons montré que la résistance aux excitations électroniques des vitrocéramiques est contrôlée par celle du verre résiduel.

Le but de cette étude est de développer et optimiser une source originale de champ magnétique intense à base d'aimants permanents. L'aspect novateur de ce projet est l'utilisation des matériaux magnétiques aux terres rares, à très forte anisotropie, pour générer des champs de l'ordre de 4 à 5 Tesla. Des champs de cet ordre de grandeur sont requis dans certaines applications et expériences scientifiques. De tels champs intenses peuvent théoriquement être atteints avec des configurations d'aimantations non colinéaires. Ce concept a permis depuis dix ans environ de développer des sources de champs très homogènes, inférieurs à 2 Tesla. Notre objectif est différent: il s'agit de générer le champ le plus intense possible dans un volume de quelques mm3 sans souci d'homogénéité. Les configurations particulières d'aimants ainsi que la discrétisation de la structure sont optimisées par modélisation et simulation numériques à partir des caractéristiques magnétiques des divers matériaux disponibles commercialement. FLUX 2D et FLUX3D Logiciel de simulation numérique éléments finis. FORCE 3D Logiciel de simulation analytiques des systèmes à aimants. Ces logiciels ont été développés au LEG. La conception de la structure tient compte des applications envisagées (champ statique variable, accès au champ). Le modèle actuel fournit un champ supérieur à 4,5 T dans un volume de quelques mm3, pour un encombrement extérieur d'environ 0150 mm. Il combine astucieusement plusieurs types nuances d'aimant à base de terres rares Néodyme-Fer-Bore pour sa haute rémanence, ainsi que pour sa forte anisotropie, ainsi qu'une utilisation de pièces polaires en Fer-Cobalt. C'est la coercivité des aimants qui limite le champ maximum productible par ces stuctures.

Le complexe alcalin intrusif d'Ambatofinandrahana est constitué d'une association complexe de roches gabbroïques à syénitiques, granitiques, marquées par un caractère potassique à sodi-potassique. Il s'agit de roches cafémiques alcalines (classification de Debon, Lefort, 1988). Les syénites sont à minéraux ferro-magnésiens sodiques accompagnés de minéraux riches en T.R. (monazite, sphène). D'après les relations de terrain, ces syénites sont considérées comme postérieures aux gabbros d'Ifasina. L'étude des terres rares dans les syénites montre le cogénétisme de ces roches (spectres sans anomalie en Eu, riches en LREE). Le granite de Vohimavo paraît lié à une lignée magmatique différente. Datées à 455 m.a par isochrone Rb/Sr, ces syénites représentent les dernières manifestations magmatiques de Madagascar avant celles du Crétacé (N.W de Madagascar). D'après Sr0 ces syénites présentent une origine avec participation crustale. Au sein de ces roches alcalines, des minéralisations en T.R (bastnaesite, monazite et chevkinite) se présentent en filons de roches siliceuses ou en éluvions. Ces minéralisations sont de type hydrothermal et non pegmatitique. Une origine alcaline a été démontrée par l'étude géochimique de ces minéraux. En effet, ces minéraux fractionnent de façon différentielle les lanthanides selon les milieux géochimiques dans lesquels ils se forment.

À l'origine, les Terres Rares (TR) sont utilisées pour tracer les processus géochimiques naturels. Depuis quelques années, elles sont de plus en plus utilisées par l'industrie, la médecine et l'agriculture. Cette utilisation croissante entraîne de nouveaux risques et nous amène à considérer les TR comme des polluants émergents. Dans ce contexte, ce travail de thèse propose une étude de la mobilité et de la répartition des TR dans le système sol-plante, ainsi que leur effet sur la végétation. La première partie de ce document présente l'approche de terrain employée, soit le choix de sites non pollués avec des contextes géologiques différents (calcaire, granitique et carbonatique), afin de comparer les transferts et la répartition des TR en milieu naturel. La deuxième partie de ce manuscrit est orientée vers une approche en milieu contrôlé, permettant d'étudier l'effet des TR sur la germination et la croissance des plantes. Les résultats indiquent que les concentrations en TR ne reflètent pas directement les concentrations de la roche, dans la mesure où elles apparaissent dépendantes des processus pédologiques et des teneurs en phases minérales riches en TR. Les sols présentent tous un enrichissement en TR lourdes lié aux complexes formés à partir des TR lourdes et des oxydes de fer. La végétation, quant à elle, présente systématiquement un enrichissement en TR légères, résultant en partie de cette liaison entre TR lourdes et oxydes de fer. Les TR montrent un fort lien avec le fer dans le continuum sol- végétation, indiquant que les processus pédologiques et physiologiques à l'origine de l'absorption des TR, sont étroitement liés à ceux du Fe. Le transfert des TR dans la plante entraîne leur accumulation dans le système racinaire, où elles seront bloquées par la bande de Caspary. Ce phénomène limite alors le transfert vers les organes aériens via le flux nutritif. Les concentrations en macro-éléments de ce flux nutritif pourraient être influencées par la présence de fortes concentrations de TR dans les racines. L'application de fortes concentrations en TR influencent également la germination et la croissance racinaire des végétaux.

Ce travail concerne la synthèse et l'étude de nanoparticules d'oxydes de terres rares. Les agrégats sont synthétisés par LECBD (Low Energy Cluster Beam Deposition) puis déposés sur différents substrats pour analyse. La spectroscopie de photoélectrons X montre que les agrégats produits possèdent la stoechiométrie du matériau massif. Les dépôts sont imagés par microscopie électronique. Dans les conditions usuelles les agrégats déposés ont une taille faiblement dispersée autour d'une valeur moyenne de 3 nm. Les agrégats sont alors cristallisés et présentent une forme particulière, le dodécaèdre rhombique. La conservation de la structure cristalline ainsi que la stabilité particulière du dodécaèdre rhombique sont discutées en relation avec les propriétés de la liaison ionique. Les propriétés de luminescence de Gd2O3 dopé Eu3+ ont permis de mettre en évidence une transition de structure pour les agrégats de très petite taille. Cette transition peut être expliquée par la pression de Gibbs induite par la tension de surface. La simulation de la luminescence des agrégats montre l'influence importante de la surface dans l'élargissement inhomogène des spectres de luminescence des nanoparticules. Le confinement quantique dans Gd2O3 dopé Eu3+ est démontré. Le comportement observé présente des similitudes avec celui de matériaux moins ioniques. Une interprétation est proposée.