La thèse a pour but d’élaborer et d’étudier les potentialités des semi-conducteurs organiques, transporteurs de trous (HTMs) pour l’application photovoltaïque à l’aide de cellules solaires à base de pérovskite (PSCs). Plusieurs familles de molécules HTM ont été préparées et déposées en solution pour l’élaboration des cellules solaires. L'objectif principal étant d'étudier et d’apporter des informations sur la relation entre la structure moléculaire des nouveaux matériaux de transport de trous et les performances photovoltaïques obtenues, cette étude contribue à une meilleure compréhension fondamentale des propriétés requises des matériaux de transport de trous pour de meilleures performances photovoltaïques.La première étude concerne l’élaboration d’une molécule de type p à base de thieno [3,2-b] thiophène comme élément central avec des dérivés de dimethoxytriphenylamine comme donneurs d’électrons aux extrémités. Différentes conformations sont proposées et révèlent des performances photovoltaïques significativement différentes dans les dispositifs PSC. Notons par exemple, qu’une conformation de structure planaire favorisent la conjugaison avec des valeurs élevées de mobilités et conductivités obtenues.Dans la seconde étude, des molécules donneur-accepteurs à base de dérivés d’acridone 9 (10H) comme accepteur ont été élaborés. En y associant différents fragments donneurs d'électrons, on obtient des structures présentant des caractéristiques favorables à la fois pour de bons transferts de charge intramoléculaire (ICT) et des niveaux d’énergie HOMO-LUMO adaptés et favorisant l’injection des trous de la pérovskite vers l’électrode métallique via le HTM. Des études similaires ont été effectuées avec la thioxanthone.A partir d’un précurseur bon marché et d’une préparation aisée, la troisième étude a permis de synthétiser un dérivé de 9,9’-biacridone, molécule push-pull de type p révélant une structure tridimensionnelle, similaire à celle du Spiro-OMeTAD, molécule référence pour les PSCs.Enfin, la dernière étude concerne l’élaboration de molécules donneur-accepteur à base de thiéno [3,4-c] pyrrole-4,6-dione (TPD). La motivation de cette partie est le développement de la molécule à structure planaire améliorant l’empilement π-π dans la fabrication de dispositifs sans joints de grains. Ces molécules possèdent également un fort caractère ICT, une conjugaison π étendue sur toute la structure et une bonne solubilité ce qui en fait un candidat HTM idéal pour la réalisation d’un dispositif PSCs sans dopant. / The aim of the thesis is to develop and study the potential of organic hole transporting materials (HTMs) for photovoltaic applications using perovskite-based solar cells (PSCs). Several families of HTM molecules have been prepared and deposited in solution for the fabrication of solar cells. Since the main objective is to study and provide information on the relationship between the molecular structure of new hole transport materials and the photovoltaic performances obtained, this study contributes to a better fundamental understanding of the required properties of hole transport materials for better photovoltaic performance.The first study concerns the development of p-type molecules based on Thieno [3,2-b] thiophene as a central unit and π-linker with dimethoxytriphenylamine as end-capping electron donors. Different configurations are designed and revealed significantly different photovoltaic performances in the PSC devices. Remarkable, a planar structure with linear conjugation shows higher values of mobility and conductivity than others, thus it improved device performances.In the second study, donor-acceptor molecules based on 9(10H)Acridone derivatives as an acceptor were developed. By incorporating different electron-donating fragments, we obtain structures with favorable characteristics for both good intramolecular charge transfer (ICT) character and adequate HOMO-LUMO energy levels. Their energy levels are suitable for collecting and injecting the holes from perovskite to the metal electrode through the HTM. Similar studies have been done with Thioxanthone.Using a cheap precursor and facile preparation, the third study synthesized a 9.9'-biacridone derivative. These p-type molecules possess a three-dimensional structure which is similar to that of Spiro-OMeTAD, state-of-the-art molecule for PSCs.Finally, the last study focus on the development of donor-acceptor molecules based on thieno [3,4-c] pyrrole-4,6-dione (TPD). The objective is elaboration of the planar structure molecule which could be improved the π-π stacking effect in the device fabrication without grain boundaries. These molecules also own a strong ICT character, an extended π-conjugation on the whole structure and a good solubility which makes it an ideal candidate for the dopant-free HTM in PSCs.

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux solutions de trou noir dans des théories de gravitation modifiées, inspirées par la Cosmologie ou la Théorie des Cordes. Les théories Einstein-Maxwell-Dilaton (EMD) comprennent des champs scalaires et de jauge additionnels, ainsi qu'un potentiel scalaire de Liouville en exponentielle. Dans les théories Einstein-Gauss-Bonnet, l'espace-temps est étendu à plus de quatre dimensions. Nous commençons par passer en revue et classer les solutions des théories EMD. Dans le cas où l'horizon du trou noir est planaire, l'obtention d'une équation maîtresse constitue l'un des principaux résultats. Elle alors permet d'intégrer totalement le système d'équations, au prix d'une contrainte sur les constantes de couplage, et sinon d'obtenir des solutions particulières. Dans le cas des théories Einstein-Gauss-Bonnet à six dimensions, le tenseur de Weyl de l'horizon intervient dans les équations par l'action de la constante de couplage du terme de Gauss-Bonnet : cela a pour effet de restreindre grandement la topologie de l'horizon, ce qui lève en partie la dégénérescence qui existait en Relativité Générale. Par la suite, nous étudions les propriétés thermodynamiques des trous noirs en Relativité Générale et en théories EMD. Pour ces dernières, nous montrons que des transitions de phases similaires à celles en Relativité Générale existent dans l'ensemble canonique. Plus généralement, ces propriétés dépendent de manière cruciale des constantes de couplage de la théorie. Pour finir, nous donnons une interprétation holographique aux trous noirs des théories EMD, en tant que bonnes approximations à l'Infra-Rouge. Nous calculons également les conductivités en courant continu et alternatif dans le cadre d'une application à la Matière Condensée, et trouvons certaines caractéristiques typiques des métaux étranges.

Le centre de la Galaxie constitue un laboratoire idéal pour mettre à l'épreuve les prédictions de la relativité générale. Le trou noir supermassif qui y siège possède le rayon de Schwarzschild ayant la plus grande taille angulaire sur le ciel (10 μas). C'est donc un candidat de choix pour observer avec une grande précision les phénomènes relativistes qui se déroulent dans son environnement immédiat. La première partie de ma thèse a consisté à étudier la précision astrométrique de l'instrument de deuxième génération du VLTI, GRAVITY. Ce recombinateur de faisceau qui sera installé à Paranal en 2014 est conçu pour atteindre une précision astrométrique de l'ordre de 10 μas. Afin de vérifier si ce but pourra être atteint, j'ai utilisé un programme de simulation de l'instrument pour déterminer de façon réaliste l'erreur astrométrique commise, en prenant en compte les caractéristiques réelles de GRAVITY. J'ai pu ainsi montrer que l'instrument était capable d'atteindre son objectif pour des sources suffisamment brillantes, ainsi que de mettre en évidence le mouvement d'objets à proximité immédiate du trou noir. J'ai ensuite développé un code de calcul d'orbites relativistes, GYOTO, permettant de calculer les images et les spectres d'objets situés à proximité d'un trou noir. Différents objets sont à l'heure actuelle implémentés dans le code. On peut citer en particulier le disque mince d'accrétion, le tore d'accrétion, ou l'étoile en orbite autour du trou noir. GYOTO permet également de réaliser des calculs de transfert radiatif au sein de l'objet considéré, ce qui permet de prendre en compte la physique interne des structures d'accrétion. Signalons que GYOTO sera rendu public dans un proche avenir. J'ai pu alors utiliser GYOTO pour calculer la silhouette et le spectre d'un tore d'accrétion entourant le trou noir central de la Galaxie, en prenant en compte l'émission synchrotron générée par cette structure. L'intérêt de ce genre de simulation est de contraindre les paramètres du trou noir et du tore d'accrétion en ajustant les spectres modélisés aux données observées. J'ai également simulé grâce à GYOTO l'évolution d'une sphère de gaz chauffée en orbite très serrée autour du trou noir. Ce schéma constitue un modèle prometteur pour les phénomènes de sursauts de rayonnement qui sont régulièrement observés aux abords du trou noir central. Il a alors été possible de simuler de façon réaliste une observation par GRAVITY de ce phénomène, et de déterminer les contraintes que l'instrument permettra d'apporter sur ce modèle, et sur le paramètre d'inclinaison du trou noir. Je me suis également intéressé à la possibilité de modéliser des objets compacts alternatifs afin de tester le paradigme du trou noir au centre de la Galaxie. Afin de pouvoir prendre en compte de tels objets, il a fallu permettre à GYOTO d'intégrer des orbites de particules dans des métriques non standards calculées numériquement, dans le formalisme 3+1 de la relativité générale. Cette capacité de GYOTO à prendre en compte des métriques non standards en fait un code unique parmi les algorithmes de calcul d'orbites existant dans la littérature. Je me suis alors intéressé à fournir quelques perspectives d'utilisation de GYOTO en métriques numériques. L'implémentation d'un objet gravastar au sein de la bibliothèque LORENE n'ayant pas abouti, je me suis intéressé à représenter les images observées d'une étoile à neutrons en effondrement, à différents stades de son évolution. Ce genre de calculs pourra permettre dans l'avenir de calculer numériquement les contreparties électromagnétiques de phénomènes en champ gravitationnel fort, telle que l'émission de rayonnement à proximité d'un système d'étoiles à neutrons en coalescence.

Dans cette thèse je présente les travaux effectués lors de mon doctorat à l'Institut de Physique Théorique (IPhT) du CEA de Saclay, sous la direction de Iosif Bena. Ceux-ci ont pour cadre la théorie des cordes, et plus précisément la supergravité à dix et onze dimensions, comme limite de basse énergie de la théorie des cordes. La première partie concerne l'étude des trous noirs et microétats de trous noirs supersymétriques à trois charges. En utilisant une D-brane supersymétrique appelée supertube, nous avons effectué une approche test et montré que cette approche capture dans tous les cas connus les propriétés physiques de la solution complête de supergravité. Nous avons aussi prouvé que le supertube, quand il est placé dans un fond ayant des charges magnétiques, voit son entropie augmentée par rapport à celle qu'il a en espace plat. Les solutions de supergravité sourcées par des supertubes étant régulières et sans horizon, elles peuvent être vues, dans le contexte du “fuzzball proposal”, comme des microétats de trous noirs. Cette entropie augmentée pourrait donc contribuer pour une large part dans le cadre d'un comptage microscopique de l'entropie de trou noir, . Dans la deuxième partie de la thèse, je présente une nouvelle classe de solutions non supersymétriques de supergravité `a onze dimensions, appelées solutions “à branes flottantes”. Les équations donnant ces nouvelles solutions généralisent les équations BPS, et ont, comme ces dernières, l'énorme avantage d'être partiellement du premier ordre et linéaires. Les équations BPS, et donc toutes les solutions supersymétriques, se retrouvent comme une sous-famille des équations à branes flottantes. Certaines de ces nouvelles solutions ont un horizon et sont donc des trous noirs – avec des topologies d'horizon variées – mais certaines sont complètement régulières et sans horizons et correspondraient à des microétats de trous noirs non extrémaux.

Plusieurs observations récentes semblent montrer l'existence d'effets relativistes dans l'émission des trous noirs (raie de fluorescence du Fer large, variabilité). Je présente des outils numériques pour calculer les effets relativistes (le décalage gravitationnel, la courbure de l'espace-temps) de manière cohérente dans les processus de rayonnement X et gamma autour des trous noirs. Ces codes basés sur des méthodes Monte-Carlo permettent de prendre en compte la dépendance angulaire de l'émission de la source. Les méthodes d'optimisation des codes sont aussi présentées car les temps de calcul peuvent devenir considérablement élevés. Ces outils sont appliqués pour étudier le comportement des photons et des leptons en métrique de Kerr, l'influence de la position de la source par rapport au trou noir et de l'angle d'émission, ainsi que les effets observables sur l'émission d'un disque localisé dans le plan équatorial. Le modèle axisymétrique utilisé comprend une source X en forme d'anneau située au dessus d'un disque d'accrétion autour d'un trou noir en rotation. Les spectres observés sont la superposition de la composante primaire, observée directement de la source, et de la composante réfléchie par le disque. La forme, la normalisation et la dépendance angulaire des deux composantes sont étudiées en faisant varier le rayon de l'anneau et la distance entre la source et le disque. Les effets de la relativité générale sont mis en évidence par comparaison avec les résultats obtenus en métrique Newtonienne et en relativité restreinte. Les réflexions multiples sont prises en compte, pour les photons réfléchis qui retournent vers le disque d'accrétion en raison de la courbure de l'espace, et leur influence quantifiée. Finalement, afin de confronter nos calculs aux observations, nous avons regardé la relation prédite par notre modèle, entre la composante directe et la composante réfléchie, quand la position de la source varie. Les résultats obtenus reproduisent bien les données reportées pour la source NGC4051, et donnent alors des informations sur la variation de la position de la source. J'ai donc démontré que les effets relativistes sont très importants dans la région proche du trou noir et ne peuvent être négligés dans les spectres d'émission à haute énergie. Je montre également comment les outils numériques correspondants (incluant des méthodes d'optimisation) peuvent être incorporés dans les codes de transfert de rayonnement

Le travail exposé dans cette thèse de doctorat présente des expériences à basse température dans le domaine de la spintronique quantique sur des hétérostructures à base de germanium. Tout d’abord, les avantages attendus du germaniumpour la spintronique quantique sont exposés, en particulier la faible interaction hyperfine et le fort couplage spin-orbite théoriquement prédits dans le Ge. Dans un second chapitre, la théorie des boites quantiques et systèmes à double boite sont détaillés, en se focalisant sur les concepts nécessaires à la compréhension des expériences décrites plus tard, c’est-à-dire les effets de charge dans les boites quantiques et double boites, ainsi que le blocage de spin de Pauli. Le troisième chapitre s’intéresse à l’interaction spin-orbite. Son origine ainsi que ses effets sur les diagrammes d’énergie de bande sont discutés. Ce chapitre se concentre ensuite sur les conséquences de l’interaction spin-orbite spécifiques aux gaz bidimensionnels de trous dans des hétérostructures de germanium, c’est-à-dire l’interaction spin-orbite Rashba, le mécanisme de relaxation de spin D’Yakonov-Perel ainsi que l’antilocalisation faible.Le chapitre quatre présente des mesures effectuées sur des nanofils coeur coquillede Ge/Si. Dans ces nanofils une boite quantique se forme naturellement et celui-ci est étudié. Un système à double boite quantiques est ensuite formé par utilisation de grilles électrostatiques, révélant ainsi du blocage de spin de Pauli.Dans le cinquième chapitre sont détaillés des mesures demagneto-conductance de gas de trous bidimensionnels dans des hétérostructures de Ge/SiGe contraints dont le puit quantique se situe à la surface. Ces mesuresmontrent de l’antilocalisation faible. Les temps de transport caractéristiques sont extraits ainsi que l’énergie de séparation des trous 2D par ajustement de courbe de la correction à la conductivité due à l’antilocalisation. De plus, les mesures montrent une suppression de l’antilocalisation par un champ magnétique parallèle au puit quantique. Cet effet est attribué à la rugosité de surface ainsi qu’à l’occupation virtuelle de sous-bandes inoccupées.Finalement, le chapitre six présente des mesures de quantisation de la conductancedans des hétérostructures de Ge/SiGe contraints dont le puit quantique est enterré. Tout d’abord, l’hétérostructure est caractérisée grâce à des mesures de magneto-conductance dans une barre de Hall. Ensuite, un second échantillon dessiné spécialement pour la réalisation de points de contact quantiques est mesuré. Celui-ci montre des marches de conductance. La dépendance en champ magnétique de ces marches est mesurée, permettant ainsi une extraction du facteur gyromagnétique de trous lourds dans du germanium. / This thesis focuses on low temperature experiments in germaniumbased heterostructure in the scope of quantumspintronic. First, theoretical advantages of Ge for quantum spintronic are detailed, specifically the low hyperfine interaction and strong spin orbit coupling expected in Ge. In a second chapter, the theory behind quantum dots and double dots systems is explained, focusing on the aspects necessary to understand the experiments described thereafter, that is to say charging effects in quantum dots and double dots and Pauli spin blockade. The third chapter focuses on spin orbit interaction. Its origin and its effect on energy band diagrams are detailed. This chapter then focuses on consequences of the spin orbit interaction specific to two dimensional germaniumheterostructure, that is to say Rashba spin orbit interaction, D’Yakonov Perel spin relaxation mechanism and weak antilocalization.In the fourth chapter are depicted experiments in Ge/Si core shell nanowires. In these nanowire, a quantumdot formnaturally due to contact Schottky barriers and is studied. By the use of electrostatic gates, a double dot system is formed and Pauli spin blockade is revealed.The fifth chapter reports magneto-transport measurements of a two-dimensional holegas in a strained Ge/SiGe heterostructure with the quantum well laying at the surface, revealing weak antilocalization. By fitting quantumcorrection to magneto-conductivity characteristic transport times and spin splitting energy of 2D holes are extracted. Additionally, suppression of weak antilocalization by amagnetic field parallel to the quantum well is reported and this effect is attributed to surface roughness and virtual occupation of unoccupied subbands.Finally, chapter number six reportsmeasurements of quantization of conductance in strained Ge/SiGe heterostructure with a buried quantumwell. First the heterostructure is characterized by means ofmagneto-conductance measurements in a Hall bar device. Then another device engineered specifically as a quantum point contact is measured and displays steps of conductance. Magnetic field dependance of these steps is measured and an estimation of the g-factor for heavy holes in germanium is extracted.

Ce travail de thèse se concentre sur l'approche non-perturbative canonique à la formulation d'une théorie quantique de la gravitation dans le cadre de la Gravitation quantique à boucles (LQG), répondant à deux problèmes majeurs. Dans la première partie, nous étudions la possible quantification, dans le cadre de la LQG, de la gravité en trois dimensions avec constante cosmologique et nous essayons de prendre contact avec autres approches de quantification déjà existantes dans la littérature. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur une application très importante de la LQG: la définition et le comptage des états microscopiques d'un ensemble en mécanique statistique qui fournit une description de l'entropie des trous noirs. Notre analyse s'appuie fortement sur et s'étend à un traitement manifestement SU(2) invariant les travaux fondateurs de Ashtekar et al. / This thesis work concentrates on the non-perturbative canonical approach to the formulation of a quantum theory of gravity in the framework of Loop Quantum Gravity (LQG), addressing two major problems. In the first part, we investigate the possible quantization, in the context of LQG, of three dimensional gravity in the case of non-vanishing cosmological constant and try to make contact with alternative quantization approaches already existing in the literature. In the second part, we concentrate on a very important application of LQG: the definition and the counting of microstates of a statistical mechanical ensemble which provides a description and accounts for the black hole entropy. Our analysis strongly relies on and extends to a manifestly SU(2) invariant treatment the seminal work of Ashtekar et al.

Il existe des nombreuses solutions lisses dans le domaine de la théorie des cordes, caractérisées par une topologie non triviale (bulles) et sans sources localisées. Dans cette thèse nous analysons quelques-unes parmi les solutions les plus importantes avec les différents objectifs pour lesquels ils sont étudiés. Des solutions lisses en onze dimensions peuvent être interprétées comme microétats BPS de trou noir dans le cadre de la Fuzzball proposal. On peut promouvoir ces microétats à être quasi-BPS en plaçant de supertubes au minimum métastable à l’intérieur de ces solutions. Nous montrons que ces minima peuvent abaisser leur énergie lorsque les bulles se déplacent dans certaines directions dans l’espace des modules, ce qui implique que ces microétats quasi-BPS sont en fait instables. L’énergie dissipée par ces solutions correspond au rayonnement Hawking et on compare le taux d’émission et la fréquence à celles du trou noir correspondant. En modifiant la géométrie asymptotique de ces microétats on pourrait construire des microétats pour des trous noirs BPS sans charge électrique en cinq dimensions. Il faut donc trouver une nouvelle solution de supergravité en cinq dimensions dont la norme du vecteur de Killing passe de positive à nulle dans certaines régions. Nous construisons des exemples explicites où la norme du vecteur de Killing supersymétrique est une fonction réelle non-analytique telle que tous ses dérivés sont nulles à un point où le vecteur de Killing devient nul. Dans la solution de Lin-Lunin-Maldacena on trouve un mécanisme pour briser la supersymétrie similaire à celui utilisé pour les microétats quasi-BPS. Nous analysons l’énergie potentielle de branes M2 polarisés en branes M5. Lorsque les charges des M2 sont parallèles à ceux de la solution, nous trouvons des configurations stables. Lorsque les charges des M2 ne sont pas parallèles, nous trouvons des états métastables qui brisent la supersymétrie et nous analysons le processus de rayonnement d’énergie. Nous analysons aussi la solution de Klebanov-Strassler et construisons sa version T- duale dans la supergravité de type IIA. Pour cela une analyse approfondie est nécessaire pour choisir l’isomérie la plus appropriée. Notre construction est la première étape d’un programme pour tester la stabilité des antibranes dans la supergravité de type IIA. / There exist many smooth solutions in String Theory characterized by a nontrivial topology threaded by fluxes and no localized sources. In this thesis we analyze some of the most important bubbled solutions along with the different purposes they are studied for. Some smooth, eleven-dimensional solutions can be interpreted as BPS black hole microstates in the context of the Fuzzball proposal. One can promote these to be microstates for near-BPS black holes by placing probe supertubes at a metastable minimum inside these solutions. We show that these minima can lower their energy when the bubbles move in certain directions in the moduli space, which implies that these near-BPS microstates are in fact unstable. The decay of these solutions corresponds to Hawking radiation and we compare the emission rate and frequency to those of the corresponding black hole. By modifying the asymptotic behavior of these microstates one could be able to construct microstates for five-dimensional BPS black holes with no electric charge. To do so one needs to find a new supergravity solution in five-dimensions whose Killing vector switches from timelike to null in some open regions. We construct explicit examples where the norm of the supersymmetric Killing vector is a real not-everywhere analytic function such that all its derivatives vanish at a point where the Killing vector becomes null. In the Lin-Lunin-Maldacena solution we find a supersymmetry-breaking mechanism similar to that used for near-BPS microstates. We analyze the potential energy of M2 probes polarized into M5 brane shells. When the charges of the probe are parallel to those of the solution we find stable configurations, while when the charges are opposite we find metastable states that break supersymmetry and analyze the decay process to supersymmetric configurations. We analyze also the Klebanov-Strassler solution and construct its T-dual version in Type IIA. This is done by just reconstructing the solution expanded on a small region of the deformed conifold, after a thorough analysis to choose the most suitable isometry. Our construction is the first step in a program to test the stability of antibranes in Type IIA backgrounds.

Vingt années se sont écoulées depuis la découverte de l'expansion accélérée de l'Univers, ravivant l'intérêt pour les théories alternatives de la gravité. Ajouter un champ scalaire à la métrique habituelle de la relativité générale est l'une des manières les plus simples de modifier notre théorie de la gravité. En parallèle, nos connaissances sur les trous noirs et les étoiles à neutrons sont en plein essor, grâce notamment au développement de l'astronomie par ondes gravitationnelles. Cette thèse se situe au carrefour entre les deux domaines : elle étudie les propriétés des objets compacts dans les théories tenseur-scalaire généralisées. Je commence par rappeler les théorèmes d'unicité essentiels établis depuis les années soixante-dix. Après avoir présenté le théorème d'unicité pour les trous noirs en théorie de Horndeski, je l'étends aux étoiles. La deuxième partie de cette thèse détaille les différentes manières de contourner ce théorème. Parmi elles, je présente des solutions où la dépendance temporelle du champ scalaire permet de le raccorder à une solution cosmologique, mais aussi des trous noirs statiques et asymptotiquement plats. Dans la troisième partie, j'établis un critère important pour la stabilité de ces solutions, qui s'appuie sur leur structure causale. C'est aussi l'occasion d'étudier la propagation des ondes gravitationnelles au voisinage de trous noirs, et de sélectionner les théories dans lesquelles les ondes gravitationnelles se propagent à la même vitesse que la lumière. / Twenty years have passed since the discovery of the accelerated expansion of the Universe, reviving the interest for alternative theories of gravity. Adding a scalar degree of freedom to the usual metric of general relativity is one of the simplest ways to modify our gravitational theory. In parallel, our knowledge about black holes and neutron stars is booming, notably thanks to the advent of gravitational wave astronomy. This thesis is at the crossroads between the two fields, investigating the properties of compact objects in extended scalar-tensor theories. I start by reviewing essential no-hair results established since the seventies. After discussing the no-hair theorem proposed for black holes in Horndeski theory, I present its extension to stars. The second part of the thesis investigates in detail the various ways to circumvent this theorem. These notably include solutions with a time-dependent scalar field in order to match cosmological evolution, but also static and asymptotically flat configurations. In a third part, I establish an important stability criterion for these solutions, based on their causal structure. It is also the occasion to study the propagation of gravitational waves in black hole environments, and to select the theories where gravitational waves travel at the same speed as light.

Les trous noirs sont produits par effondrement gravitationnel d'étoiles supermassives et contiennent en leur centre une singularité de l'espace-temps habillée d'un horizon auquel rien ne peut s'échapper. Ils se situent à la frontière théorique commune entre la Relativité Générale et la Mécanique Quantique, ce qui en fait le principal laboratoire théorique et expérimental pour tester les théories quantiques de la gravité comme la Théorie des Cordes. L'entropie d'un trou noir est énorme, de l'ordre de sa masse au carré. Comme tout objet entropique, une description microscopique en termes de dégénérescence d'états devrait exister. De plus, le trou noir s'évapore par rayonnement d'Hawking et l'information à l'intérieur semble perdue, ce qui compromet la principe d'unitarité, pierre angulaire de la Mécanique Quantique. Par conséquent, la Théorie des Cordes doit fournir les degrés de liberté nécessaires pour décrire la nature de micro-état de trous noirs, elle doit également trouver un mécanisme résolvant la singularité et le paradoxe de la perte d'information. Cette thèse porte sur la physique des trous noirs à travers le "fuzzball proposal" et le "microstate geometry program". La majeure partie de la discussion se déroulera dans la limite de basse énergie de la Théorie des Cordes, c'est-à-dire en Supergravité. Le ``proposal" stipule qu'il existe "eS" solutions non singulières sans horizon qui ressemblent à un trou noir à large distance mais qui diffèrent à proximité de l'horizon. Sur la base de cette affirmation, la solution de trou noir classique correspond à la description statistique d'un système de solutions qui ont la même géométrie que le trou noir à l'extérieur de l'horizon, mais qui se terminent par des géométries régulières, dites "fuzzy". La proposition soulève plusieurs questions : Comment la singularité est-elle résolue ? De telles géométries peuvent-elles être construites en Supergravité ? Comment l'information s'échappe-t-elle de l'ensemble des micro-états ? La thèse est décomposée en trois parties. La première partie présente les bases et donne un aperçu du "microstate geometry program". La deuxième partie regroupe cinq travaux qui se consacrent à construire de larges familles de micro-états de trous noirs supersymétriques ou non supersymétriques. La dernière partie passe en revue deux travaux. L'un d'eux étudie le processus de diffusion dans les micro-états. Cela permet d'élucider comment le principe d'unicité est restaurée et comment l'information s'échappe des micro-états. La seconde traite du rôle des micro-états dans le contexte de la correspondance AdS2/CFT1 et donne l'ébauche d'une preuve pour le "fuzzball proposal". / Black holes are produced by gravitational collapse of supermassive stars and consist of a spacetime singularity dressed by a horizon from which nothing can escape. They lie at the common theoretical border between General Relativity and Quantum Mechanics, making them the main theoretical and experimental laboratory for testing quantum theories of gravity as String theory. The entropy of a black hole is huge, of the order of its mass squared. As any entropic object, a microscopic description in terms of large degeneracy of states should exist. Moreover, black hole evaporates through thermal Hawking's radiation and the information in the interior seems lost, that compromises the unitary principle, a cornerstone of Quantum Mechanics. Therefore, String Theory must provide the degrees of freedom necessary to describe the microstate nature of black holes, it must also find a mechanism resolving the singularity and the information loss paradox. This thesis addresses black-hole physics through the lens of the fuzzball proposal and the microstate geometry program. The major part of the discussion will be conducted in the low-energy limit of String Theory, that is in Supergravity. The proposal states that there exist "eS" horizonless non-singular solutions that resemble a black hole at large distance but differ in the vicinity of the horizon. Based on this statement, the classical black-hole solution corresponds to the average description of a system of solutions which match the black-hole geometry outside the horizon but cap off as ``fuzzy" smooth geometries in the infrared. The proposal leads to several questions: How is the singularity resolved? Can "eS" such geometries be built in Supergravity? How does the information escape from the ensemble of microstates?The thesis is decomposed in three parts. The first part introduces the basic materials and gives a review of the microstate geometry program. The second part gathers five works that all consist in constructing large classes of smooth horizonless microstate geometries of supersymmetric or non-supersymmetric black holes. The last part review two works. One is investigating the scattering process in microstate geometries. This helps to elucidate how unitarity is restored and how information escapes from black-hole backgrounds. The second one addresses the role of microstate geometries in the context of the AdS2/CFT1 correspondence and gives a beginning of proof for the fuzzball proposal.