Une étude théorique préliminaire à cette thèse a prévu que lorsque l'on introduit un gaz de trous bidimensionnel (2D) dans un puits quantique de semiconducteur semimagnétique, l'interaction entre les spins localisés et les porteurs de charges induit une transition de phase ferromagnétique. Nous avons mis au point l'élaboration d'un tel système à base de tellurures en épitaxie par jets moléculaires, ainsi que la caractérisation au niveau microscopique des interfaces, du dopage et du transfert de porteurs dans le puits quantique. Ceci nous a permis d'élaborer des échantillons ayant donné lieu à toute une série d'études physiques. Le dopage par modulation d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à base de tellure en épitaxie par jets moléculaires n'avait été réalisé jusqu'à notre étude que pour un dopage de type n, sur des structures comportant du CdMgTe comme matériau barrière, avec peu de magnésium. Or cet alliage est la clef de la réalisation d'un bon confinement quantique dans les tellurures, surtout pour le dopage de type p où la concentration en Mg doit être augmentée. L'utilisation d'une source d'azote ECR, dopant de type p, et l'optimisation des paramètres de la croissance ont permis l'obtention d'un gaz de trous 2D de bonne densité, comme le montrent la spectroscopie optique, l'effet Hall et la capacité-tension. L'étude de structures interdiffusées par SIMS, diffraction de rayon X et spectroscopie optique, nous a de plus permis de mieux comprendre les mécanismes de dégradation en cours de croissance de nos couches comportant du magnésium, et dopées à l'azote. Un modèle basé sur la diffusion de l'azote a été proposé. Il a ensuite été possible de réaliser des structures semimagnétiques dans lesquelles l'interaction entre un gaz de trous 2D et des spins localisés de manganèse a permis la mise en évidence de la transition de phase ferromagnétique attendue théoriquement. Par ailleurs, un nouveau dopant de type n pour l'épitaxie par jets moléculaire des tellurures a été testé avec succès sur des couches épaisses, ainsi que pour des hétérostructures. Il s'agit de l'aluminium, dont le domaine d'utilisation est plus étendu que les autres dopants utilisés jusqu'à présent, puisqu'il permet d'obtenir une bonne efficacité même sur des couches comportant du magnésium.

L'analyse de données sismiques pour l'étude du sous-sol est un travail long et difficile qui demande beaucoup de connaissances a priori au géophysicien qui l'effectue. L'outil informatique permet d'accélérer ce travail par une mise en valeur des zones d'intérêt, formées de continuités (horizons) et discontinuites (failles, domes de sel ...). L'analyse par ondelettes est particulièrement adaptée à l'étude des continuités et discontinuités et permet, à l'aide d'ondelettes directionnelles, de détecter des fractures, problème extrêmement difficile. Nous présentons dans ce travail un exposé succint de la théorie des ondelettes suivi des différents algorithmes de la transformée en ondelettes ainsi que les problèmes de représentation d'une telle transformée. Nous introduisons la notion d'ondelette directionnelle, sensible aux discontinuités dans une direction donnée et étudions quelques-unes de ses propriétés. Divers applications aux images sismiques sont exposées. Une méthode de filtrage basée sur l'algorithme à trous pour l'amélioration du pointe d'horizons est présentée. L'utilisation de la transformée en ondelettes directionnelles aboutit, entre autres, à la détection de failles. Ceci peut être améliorer par l'utilisation d'un filtrage préalable adapté et la représentation angle-espace-échelle.

Établir une théorie de gravité quantique qui décrit de manière cohérente les propriétés quantiques de la matière et de l'espace-temps est l'un des défis majeurs de la physique théorique. Malgré plusieurs décennies de recherches, de nombreux problèmes conceptuels et techniques doivent encore être résolus. L'étude de modèles simplifiés donne des idées de résolution. La première partie de la thèse traite de la gravité quantique bidimensionnelle. À deux dimensions, la gravité quantique est beaucoup mieux comprise et de nombreux calculs peuvent être faits exactement. Si la gravité quantique bidimensionnelle a été largement étudiée quand elle est couplée à de la matière conforme, le cas de la matière non-conforme était très peu connu jusque récemment. Nous calculons d'abord l'action gravitationnelle pour un champ scalaire massif sur une surface de Riemann avec bords puis pour un fermion de Majorana massif sur une variété compacte. Ce dernier cas correspond à une CFT perturbée par une perturbation conforme et est d'ordinaire étudié grâce à l'ansatz de DDK, mais les résultats sont différents. Finalement, on calcule le spectre de l'action de Mabuchi dans l'approximation du minisuperespace. La seconde partie étudie les propriétés thermales des trous noirs dans le contexte de la correspondance AdS/CFT. On construit un modèle de mécanique quantique fondé sur les principes holographiques pour simuler la dynamique des trous noirs quantiques. Ce modèle permet d'obtenir des résultats numériques exacts. / Finding a theory of quantum gravity describing in a consistent way the quantum properties of matter and spacetime geometry is one of the greatest challenges of modern theoretical physics. However after several decades of research, many conceptual and technical issues are still to be resolved. Insights on these questions can be given by simplified toy models that allow for exact computations. The first part of the thesis deals with two-dimensional quantum gravity. In two dimensions quantum gravity is much better understood and many computations can be carried out exactly. Whereas two-dimensional quantum gravity coupled to conformal matter has been widely studied and is now well understood, much less was known until recently when matter is non-conformal. First we compute the gravitational action for a massive scalar field on a Riemann surface with boundaries and then for a massive Majorana fermion on a manifold without boundary. The latter case corresponds to a CFT perturbed by a conformal perturbation and is usually tackled through the DDK ansatz, but the results do not seem to match. Finally we give a minisuperspace computation of the spectrum of the Mabuchi action, a functional that appears in the gravitational action for a massive scalar field. In the second part we focus on black hole thermal behaviour which provides a lot of insight of how a theory of quantum gravity should look like. In the context of string theory the AdS/CFT correspondence provides powerful tools for understanding the microscopic origin of black holes thermodynamics. We construct a quantum mechanical toy model based on holographic principles to study the dynamics of quantum black holes.

Les trous noirs supermassifs résident dans les centres de la plupart des galaxies massives et on observe des corrélations entre leurs masses et les propriétés de leurs galaxies hôtes. De plus, on observe des trous noirs de plus d’un milliard de masses solaires quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang. Ces trous noirs supermassifs présents dans l’univers jeune ne sont que le sommet de l’iceberg de l’ensemble de la population de trous noirs, mais ils mettent en question notre compréhension de la formation et de la croissance des premiers trous noirs. Notre nouvelle méthode améliorant le calcul de la densité de colonne de H2 donne des probabilités pour former des graines massives de trous noirs qui sont plus d’un ordre de grandeur plus élevées que prédit précédemment. Nous trouvons que CR7 pourrait être le premier candidat à héberger un tel trou noir formé par effondrement direct et nous démentons l’existence initialement revendiquée d’une population stellaire massive primordial dans CR7. Nous calculons la densité des taux de fusion des trous noirs binaires des premières étoiles et leurs taux de détection avec aLIGO. Notre modèle démontre que les détections des ondes gravitationnelles à venir au cours des prochaines décennies permettront d’imposer des contraintes plus strictes sur les propriétés des premières étoiles et donc sur les scénarios de formation des premiers trous noirs. Nous développons un modèle analytique en 2D de la rétroaction des noyaux actifs de galaxie pour démontrer qu’un profil de disque plus réaliste réduit la quantité de gaz qui est éjectée du halo par rapport aux modèles 1D existants. La rétroaction empêche l’accretion de gaz sur le trou noir central pendant seulement ∼1 million d’année environ, ce qui permet une accretion de gaz presque continue dans le plan du disque. Avec cette thèse, je contribue à une meilleure compréhension de la formation et la croissance des premiers trous noirs supermassifs. / Supermassive black holes reside in the centres of most massive galaxies and we observe correlations between their mass and properties of the host galaxies. Besides this correlation between a galaxy and its central black hole (BH), we see BHs more massive than one billion solar masses already a few hundred million years after the Big Bang. These supermassive BHs at high redshift are just the tip of the iceberg of the entire BH population, but they challenge our understanding of the formation and growth of the first BHs. Our improved method to calculate H2 self-shielding yields probabilities to form massive seed BHs that are more than one order of magnitude higher, than previously expected. We find that CR7 might be the first candidate to host such a direct collapse BH and we disprove the initially claimed existence of a massive metal-free stellar population in CR7. We calculate the merger rate density of binary BHs from the first stars and their detection rates with aLIGO. Our model demonstrates that upcoming detections of gravitational waves in the next decades will allow to put tighter constraints on the properties of the first stars and therefore on formation scenarios of the first BHs. We develop a 2D analytical model of active galactic nuclei-driven outflows to demonstrate that a more realistic disc profile reduces the amount of gas that is ejected out of the halo, compared to existing 1D models. The outflow prevents gas accretion on to the central BH for only about ∼1Myr, which permits almost continuous gas inflow in the disc plane. With this thesis, I contribute to a better understanding of the formation and growth of the first supermassive BHs.

Comme introduction, nous présentons la formulation originale de la correspondance AdS/CFT, entre la théorie de Yang-Mills supersymétrique N = 4 avec groupe de jauge SU(N) et la théorie des supercordes de type IIB sur l'espace AdS5 x S5. Dans une première partie, nous montrons comment les ingrédients de la correspondance AdS/CFT peuvent être appliqués de manière phénoménologique à l'étude des systèmes de fermions fortement corrélés et présentons deux modèles fondamentaux, l'étoile à électrons et le supraconducteur holographique. Nous construisons un modèle holographique pour l'étude des systèmes de Bose-Fermi à densité finie et montrons que la présence simultanée de degrés de liberté bosoniques et fermioniques est favorisée à température nulle. En résolvant l'équation du mouvement d'un spineur test sur ces solutions, nous montrons que le système admet un grand nombre de surfaces de Fermi de type électron et/ou trou et un condensat scalaire chargé. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à l'étude des solutions de trous noirs BPS asymptotiquement AdS4 dans la théorie de supergravité jaugée N = 2 en 4 dimensions. En utilisant les transformations de dualité dans un modèle STU simple, nous trouvons de nouvelles solutions de trous noirs BPS statiques et en rotation. / As an introduction, we present the original formulation of the AdS/CFT correspondence, between N = 4 Super Yang-Mills theory with gauge group SU(N) and type IIB string theory on AdS5 x S5. In a first part, we show how the ingredients of the AdS/CFT correspondence can be applied in a phenomenological way to study strongly correlated systems of fermions and present two fundamental models, the electron star and the holographic superconductor. We construct a holographic model for the study of Bose-Fermi systems at finite density and show that the simultaneous presence of bosonic and fermionic degrees of freedom is favoured at zero temperature. By solving the field equation of a probe spinor field in these solutions, we show that the system admits a large number of electron-like and/or hole-like Fermi surfaces and a charged scalar condensate. In a second part, we study asymptotically-AdS4 BPS black hole solutions in the N = 2 gauged supergravity theory. Using the duality transformations in a simple STU model, we find new static and rotating BPS black hole solutions.

Le problème des singularités en relativité générale remonte à la première solution exacte de la théorie obtenue en 1915, à savoir celle du trou noir de Schwarzschild. Qu'elles soient de coordonnée ou de courbure, ces singularités ont longtemps questionné les physiciens qui parvinrent à mieux les caractériser à la fin des années 1960. Cela conduisit aux fameux théorèmes sur les singularités, s'appliquant à la fois aux trous noirs et en cosmologie, basés sur un comportement classique du contenu en matière de l'espace-temps résumé par des conditions d'énergie. La violation de ces conditions dans les processus quantiques pourrait indiquer que les singularités doivent être vues comme des limitations de la relativité générale, pouvant ainsi disparaître dans une théorie plus générale de la gravité quantique.Dans l'attente d'une telle théorie, nous avons pour objectif dans cette thèse d'étudier les espaces-temps de trous noirs dépourvus de toute singularité ainsi que leurs conséquences observationnelles. A cette fin, nous considérons à la fois des modifications de la relativité générale et le couplage de la théorie à des contenus en matière exotiques. Dans le premier cas nous montrons qu'il est possible de retrouver des trous noirs réguliers à symétrie sphérique connus, tout d'abord en principe avec la théorie tenseur-scalaire de gravité mimétique, puis implicitement par le biais d'une déformation de la contrainte hamiltonienne en relativité générale inspirée des techniques de gravitation quantique à boucles. Dans le second cas nous restons dans le cadre de la relativité générale, et considérons des tenseurs énergie-impulsion effectifs. Ils sont en premier lieu associés à un modèle régulier à la Hayward en rotation fournissant dans un certain régime un premier exemple de trou noir en rotation exempt de toute singularité, puis à un espace-temps dynamique décrivant la formation et l'évaporation d'un trou noir sans singularité. Pour ce dernier, nous montrons que tout modèle basé sur l'effondrement gravitationnel de coquilles de genre lumière visant à décrire l'évaporation de Hawking est voué à violer les conditions sur l'énergie dans une région non compacte de l'espace-temps. Enfin, l'étude théorique de la métrique de Hayward en rotation est accompagnée de simulations numériques d'un tel objet au centre de la Voie Lactée, obtenues à l'aide du code de calcul de trajectoires de particules Gyoto en reproduisant les propriétés connues de la structure d'accrétion du trou noir présumé Sgr A*. Ces simulations permettent d'illustrer deux régimes très différents de la métrique, avec ou sans horizon, et soulignent la difficulté d'affirmer avec certitude la présence d'un horizon à partir d'images en champ fort telles que celles obtenues par l'instrument Event Horizon Telescope. / The issue of singularities in General Relativity dates back to the very first solution to the equations of the theory, namely Schwarzschild's 1915 black hole. Whether they be of coordinate or curvature nature, these singularities have long puzzled physicists, who managed to better characterize them in the late 60's. This led to the famous singularity theorems applying both to cosmology and black holes, and which assume a classical behaviour of the matter content of spacetime summarized in the so-called energy conditions. The violation of these conditions by quantum phenomena supports the idea that singularities are to be seen as a limitation of General Relativity, and would be cured in a more general theory of quantum gravity. In this thesis, pending for such a theory, we aim at investigating black hole spacetimes deprived of any singularity as well as their observational consequences. To that purpose, we consider both modifications of General Relativity and the coupling of Einstein's theory to exotic matter contents. In the first case, we show that one can recover the static spherically symmetric non-singular black holes of Bardeen and Hayward in principle in mimetic gravity, and implicitly by a deformation of General Relativity's hamiltonian constraint in an approach based on loop quantum gravity techniques. In the second case, we stay inside the framework of General Relativity and consider effective energy-momentum tensors associated with a fully regular rotating Hayward metric and with a dynamical spacetime describing the formation and evaporation of a non-singular black hole. For the latter, we show that all models based on the collapse of ingoing null shells and willing to describe Hawking’s evaporation are doomed to violate the energy conditions in a non-compact region of spacetime. Lastly, the theoretical study of the rotating Hayward metric comes with numerical simulations of such an object at the center of the Milky Way, using the ray-tracing code Gyoto and mimicking the known properties of the accretion structure of Sgr A*. These simulations allow exhibiting the two very different regimes of the metric, with or without horizon, and emphasize the difficulty of asserting the presence of a horizon from strong-field images as the ones provided by the Event Horizon Telescope.

À la base de l’évolution de la technologie microélectronique actuelle, la réduction des dimensions critiques des MOSFET standards pour améliorer leurs performances électriques a atteint depuis quelques années ses limites physiques. L’utilisation de nanocomposants innovateurs ayant une configuration planaire, comme solution de remplacement, semble être une voie prometteuse pour certaines applications. Les diodes autocommutantes, Self-Switching Diodes (SSD), en font partie. Les SSD sont des composants unipolaires à deux accès ayant une caractéristique I-V non-linéaire semblable à celle d’une diode bipolaire. Leur configuration planaire rend leur fabrication plus facile et réduit considérablement les capacités parasites intrinsèques. Cette thèse porte sur la fabrication, la simulation et la caractérisation électrique de SSD fabriquées sur des substrats en SOI (Silicon-On-Insulator). Les dispositifs SSD ont été réalisés au départ grâce à des gravures par FIB (Focussed Ion Beam). Cette technique polyvalente nous permet de contrôler en temps réel les conditions de gravure. Par la suite, nous avons procédé à une fabrication massive de SSD en utilisant la technique d’électrolithographie et de gravure sèche. Les simulations effectuées principalement avec TCAD-Medici nous ont permis d’optimiser et d’investiguer en détails l’effet critique des paramètres géométriques (longueur, largeur et épaisseur du canal conducteur ainsi que la largeur des tranchées isolantes) et des paramètres physiques (densité surfacique aux niveaux des interfaces isolant/semiconducteur, densité des dopants et type de diélectrique dans les tranchées isolantes) des SSD sur les caractéristiques électriques, les valeurs de la tension seuil et les phénomènes de transport non linéaire qui ont lieu dans le canal conducteur de ce type de composants. Les mesures expérimentales de caractéristiques I-V de SSD ayant des canaux conducteurs de largeurs et de longueurs variables confirment les prévisions de nos simulations. Bien que le comportement électrique des SSD ressemble à celui d’un MISFET, nous démontrons le fait que l’on ne peut modéliser leurs caractéristiques I-V avec les mêmes expressions en nous basant sur le principe de fonctionnement spécifique à chacun de ces deux dispositifs.

Dans ce projet de thèse, qui s'appuie sur l'optimisation d'un réacteur de croissance du diamant et la construction d'un prototype, nous avons démontré l'épitaxie par étapes de couches de diamant, orientées (100), lourdement dopées au bore sur des couches de dopage plus faible dans le même processus, sans arrêter le plasma. Plus original, nous avons démontré la situation inverse. Nous présentons aussi des croissances assez lentes pour l'épitaxie de films d'épaisseur nanométriques avec de grands sauts de dopage, appelé delta-dopage. L'accent a été porté sur le gain en raideur des interfaces. Nous démontrons la présence d'interfaces fortement abruptes, issues de gravures in-situ optimisées, par une analyse conjointe en spectrométrie de masse à ionisation secondaire et en microscopie électronique en transmission à balayage en champ sombre annulaire aux grands angles. Des super-réseaux de dopages abrupts montrent des pics satellites de diffraction X typiques de la super-période. / The aim of this PhD thesis was to better understand the boron delta-doping of diamond over building a new Microwave Plasma Chemical Vapour Deposition reactor prototype. We succeed to grow step by step heavy on low, and more original, low on heavy boron-doped layers of (100)-oriented diamond in the same process and without stopping the plasma. We also settled growth parameters for a growth rate slow enough to get nanometre-thick homoepitaxial films with boron doping jumps over several orders of magnitude, called delta-doping. We demonstrated the presence of super-sharp interfaces, after optimized in situ etching, by joint Secondary Ion Mass Spectrometry and Scanning Tunneling Electron Microscopy at High-Angle Annular Dark Field analysis. Finally superlattices with abrupt boron doping levels have been grown; they show satellite peaks of X-ray diffraction representative of a super-period.

Ce travail de thèse a permis de concevoir, synthétiser et caractériser de nouveaux verres moléculaires à base de carbazole pour la réalisation de cellules solaires DSSC solide ou de type pérovskite. Ces structures sont une alternative à la molécule de référence à base de spirobifluorène (Spiro-OMeTAD) utilisée majoritairement dans les dispositifs hybrides. Nous avons optimisé une voie de synthèse simple et rapide d’un « synthon carbazole » servant de précurseur à la conception d’une large variété de verres moléculaires transporteur de trous (HTM). Cette voie de synthèse a ainsi permis de réaliser une première génération de molécules possédant un unique synthon carbazole substitué par des groupements aryles (naphtalène, pyrène, triazatruxène) puis une seconde génération incorporant deux synthons carbazole séparés par un espaceur alkylé. Dans les deux cas, les voies de synthèse sont simples et les rendements de conversion d’énergie générés en DSSC solides sont prometteurs (entre 2,22 et 2,47 % avec le colorant D102). Une étude préliminaire de vieillissement consistant à analyser la dégradation en thermolyse et photolyse d’un film mince utilisant un HTM carbazole montre que ce dernier (Cz-P) possède une stabilité comparable au Spiro-OMeTAD en absence de dioxygène. Finalement, deux verres moléculaires ont été étudiés en cellules de type pérovskite permettant d’atteindre des rendement de conversion de 13,08 % et 12,41 % (pour Cz-P et Cz-PF) quasi-identiques à ceux à base de Spiro-OMeTAD (13,45 %) confirmant que ces structures à base de synthon carbazole sont aussi de bons candidats pour la réalisation de cellule pérovskite performantes. / The aim of this work was to design, synthesize and characterize new carbazole based molecular glasses for the realization of solid state DSSC or perovskite solar cells. These structures would be an alternative to the reference molecule based on spirobifluorene (Spiro-OMeTAD) mainly used in hybrid devices. We have optimized a simple way to synthetize a "synthon" as a precursor to the design of a wide variety of efficient hole transporting materials (HTM). This synthesis pathway has allowed producing a first generation of molecules based on a single carbazole synthon substituted by aryl groups (naphthalene, pyrene, triazatruxene) then a second generation incorporating two carbazole synthons separated by an alkyl spacer. In both cases, the synthesis pathways are simple and the energy conversion efficiencies generated in solid DSSCs are promising (between 2.22 % and 2.47 % with the D102 dye). A preliminary ageing study has consisted in analyzing the degradation during thermolysis or photolysis of a carbazole based thin film. It was shown that Cz-P possesses stability similar to Spiro-OMeTAD in the absence of oxygen. Finally, two carbazole molecular glasses were studied in perovskite cells to achieve conversion efficiencies of 13.08 % and 12.41 % (for Cz-P and Cz-PF respectively) almost identical to the one based on Spiro-OMeTAD (13.45 %), confirming that these carbazole based structures are good candidates for the realization of efficient perovskite cells.

La thèse propose une méthodologie originale permettant de détecter des thèmes potentiels d’innovation et de recherche pouvant conduire à des projets. Cette méthodologie est basée sur la veille et la gestion des connaissances qui sont deux composantes de l’Intelligence Economique. Elle est appliquée à la filière Forêt-Bois-Papier aquitaine et s’appuie sur deux supports informationnels clés de cette filière : la Plateforme Technologique Forêt-Bois-Papier et les COST (European COoperation in the field of Scientific and Technical Research) « Forest, Products and Services ». Combinant les méthodes de veille et de gestion des connaissances, l’information recueillie et analysée aboutit à la construction de deux cartes cognitives : une carte heuristique et une carte conceptuelle. Ces dernières mettent en évidence des thèmes potentiels c’est-à-dire ceux pouvant faire l’objet d’un projet de recherche et d’innovation. Pour aboutir, ces thèmes potentiels doivent correspondre à des besoins industriels méritant un approfondissement avec les partenaires concernés. La méthode conduit à sélectionner deux thématiques : le revêtement intelligent de surfaces à base de bois et l’utilisation des agro-matériaux dans la construction. Elles aboutissent à la réalisation de trois projets : le projet collaboratif « Smart Wood Coating », le projet COST « Smart and innovating technologies for wood » et le projet collaboratif « Ressource Habitat Evolution Vie (RHEV) ». Il s’agit d’innovations technologiques, les deux premiers projets sont impulsés par la réglementation environnementale et le troisième par la demande sociétale. Cette thèse met en évidence et analyse la manière dont la veille et la gestion des connaissances peuvent catalyser l’innovation. / The thesis proposes an original methodology allowing the detection of potential themes of innovation and research which can lead to projects. This methodology is based on the strategic scanning and the knowledge management which are two components of competitive intelligence. It is applied to the Forest-Wood-Paper sector in Aquitaine and leans on two key informative supports of this sector: the Technology Plateform Forest-Wood-Paper and the COST « Forest, Products and Services ». Combining the methods of strategic scanning and knowledge management, the analyzed information ends in the construction of two cognitive maps: a mind map and a conceptual map. These last ones highlight potential themes, that is: those being able to be the object of a project of research and innovation. To be successful, these potential themes shall deal with industrial needs deserving a deepening with concerned partners. The method leads to select two themes: the intelligent cover of wooden surfaces and the use of agro-materials in the construction, which end in the execution of three projects: the collaborative project « Smart Wood Coating », a COST project « Smart and innovating technologies for wood » and the collaborative project “Housing Resource Evolution Life” (RHEV). All concern technological innovations, the two first ones are determined by environmental regulations and the last one by societal demand. This thesis brings to light and analyzes the way competitive intelligence and knowledge management can catalyze innovation.