L’ablation laser est une technique éprouvée pour la fabrication de nanoparticules qui possèdent la composition et les propriétés du matériel original. La plupart des expériences sont réalisées en focalisant des impulsions laser UV à la surface d’une cible monoatomique, soit un métal ou un semi-conducteur. La technique présentée se concentre plutôt sur l’utilisation d’un laser femtoseconde pour faire l’ablation de saphir dopé au titane, Ti3+: Al2O3 ou Ti: saphir. Le Ti: saphir est employé comme milieu de gain dans plusieurs oscillateurs ou amplificateurs laser et possède comme avantage la production d’impulsion ultrabrèves dans l’infrarouge proche. Dans le cadre de ce mémoire, la production de nanoparticules de Ti: saphir par ablation laser est réalisée à l’aide de deux méthodes différentes, la première étant l’ablation dans une enceinte à pression fixe et la deuxième par ablation et transport à l’aide d’un gaz dans une zone à haute température puis par récupération des particules par impact. Des observations au MEB et au MET permettent d’affirmer que les particules et agrégats de particules produits ont une taille qui varie entre 5 et 200 nm, avec quelques particules de plus grande taille. Les particules produites à pression fixe semblent amorphes et possèdent un spectre de fluorescence décalé vers le bleu, tandis que les particules transportées dans la zone à haute température semblent mieux cristallisées et possèdent un spectre qui se rapproche davantage de celui du matériel original. Des expériences de production de nanoparticules de rubis (Cr3+: Al2O3) ont également été réalisées à l’aide de la méthode de combustion de nitrates. Cette méthode a permis de produire facilement de grandes quantités de particules significativement agglomérées avec une fluorescence très forte. / Pulsed laser ablation is a well-known technique for the production of nanoparticles that possess the same composition and properties as of the original material. Most of the experiments are done by focusing UV laser pulses on the surface of a monoatomic metallic or semiconductor targets. The technique presented in this work focuses on the use of femtosecond laser pulses to initiate the ablation of titanium doped sapphire, Ti3+: Al2O3 or Ti:sapphire. Ti:sapphire is a well-known laser gain medium, commonly used in femtosecond oscillators or amplificators. In the course of this thesis, pulsed laser ablation of Ti: sapphire and nanoparticle production were made possible by the use of two different methods. The first experiments took place in a vacuum chamber under constant pressure. The second setup used a flow of low pressure helium gas to transport the particles in a high temperature environment before they were collected. SEM and TEM observations lead to the conclusion that the produced particles and particle agglomerates were between 5 and 200 nm in diameter, with a few larger particles. Particles produced in a fixed pressure seem amorphous and their fluorescence spectra are generally blue-shifted. Particles that were passed in the high temperature volume seem to have undergone better crystallization and their spectra are closer to the spectrum of bulk Ti: sapphire. Cr3+: Al2O3 (ruby) nanoparticles were also produced with the low temperature nitrate combustion synthesis method. These experiments produced large quantities of highly agglomerated nanoparticles with very strong fluorescent properties. The fluorescent properties are similar of those of bulk ruby.

La spectrométrie de plasma induit par laser, plus connue sous le nom de LIBS (l’acronyme du terme en anglais Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) est une technique analytique qui permet la détection de l’ensemble des éléments du tableau périodique avec des limites de détection de l’ordre du ppm et ceci sur tous types d’échantillons qu’ils soient liquides, solides ou gazeux. Sa simplicité de mise en œuvre, sa rapidité et sa versatilité en font une technique très attractive avec un fort potentiel en termes d’applications que ce soit pour le contrôle en ligne, l’environnement ou l’exploration spatiale. Son point faible reste cependant son manque de fiabilité dans l’analyse quantitative, en particulier lors de l’étude d’échantillons hétérogènes ou de matrices complexes telles que les matrices organiques. Ce travail de thèse propose une étude des propriétés des plasmas induit par laser sur différentes familles de polymères. Une étude du plasma au temps court (~ns) par ombroscopie est tout d’abord présentée, ceci pour différents paramètres expérimentaux (énergie laser, durée d’impulsion, longueur d’onde). Un diagnostic complet du plasma par spectrométrie d’émission est ensuite détaillé pour différents délais de détection et montre que la mesure des températures des différentes espèces du plasma (atomique, ionique et moléculaire) permet de vérifier, dans certaines conditions, les hypothèses d’homogénéité et de l’équilibre thermodynamique local. Ceci permet alors la mise en place de procédures quantitatives telles que la méthode dite sans calibration (calibration free LIBS) tout en optimisant le rapport signal sur bruit de la mesure LIBS. Dans nos expériences cette optimisation est mise à profit pour l’identification de différentes familles de polymères en utilisant, pour le traitement des données de la spectroscopie LIBS, la méthode chimiométrique des réseaux de neurones artificiels. Les résultats obtenus, très prometteurs, permettent d’envisager l’utilisation de la LIBS pour l’identification en temps réel des matières plastiques sur chaine de tri. Par ailleurs et de manière plus générale, ce travail pourrait constituer une base solide pour aller étudier d’autres matériaux organiques plus complexes tels que des tissus biologiques. / Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is an analytical technique that has the potential to detect all the elements present in the periodic table. The limit of detection can go below a few ppm and this regardless of the physical phase of the analyzed sample (solid, liquid or gas). Its simplicity of use, its rapidity to get results and its versatility provide this technique with attractive features. The technique is currently developed for applications in a large number of domains such as online control, spatial explorations and the environment. However the weakness of the LIBS technique, compared to other more conventional ones, is still its difficulty in providing reliable quantitative results, especially for inhomogeneous and complex matrix such as organic or biological materials. The work presented in this thesis includes a study of the properties of plasma induced from different organic materials. First, a study of the plasma induced on the surface of a Nylon sample at short time delays (~ns) was carried out using the time-resolved shadowgraph technique for different experimental parameters (laser energy, pulse duration, wavelength). Then, a complete diagnostics of the plasma was performed using the plasma emission spectroscopy. A detailed analysis of the emission spectra at different detection delays allowed us to determine the evolution of the temperatures of the different species in the plasma (atoms, ions and molecules). The homogeneity and the local thermodynamic equilibrium within the plasma was then experimentally checked and validated. We demonstrated that the optimisation of the signalto- noise ratio and a quantitative procedure, such as the calibration-free LIBS, can be put in place within a properly chosen detection window. In our experiments, such optimised detection configuration was further employed to record LIBS spectra from different families of polymer in order to identify and classify them. For this purpose, the chemometrics procedure of artificial neural networks (ANN) was used to process the recorded LIBS spectroscopic data. The promising results obtained in this thesis makes LIBS stand out as a potentially useful tool for real time identification of plastic materials. Finally, this work can also be considered as a base for the further studies of more complex materials such as biological tissues with LIBS.

Lorsqu’un faisceau laser femtoseconde est fortement focalisé sur des matériaux transparents, une ionisation en cascade peut se produire suite à l’intense ionisation du champ induit par celui-ci. Une fraction de l’énergie laser est absorbée et transférée dans le support produisant un échauffement local. La température à l’intérieur de la zone d’irradiation s’élèvera au point de fusion ou d’ébullition, selon la fluence de l’impulsion incidente et les propriétés du matériau. En conséquence, une légère modification du matériau, la formation de nano-réseaux ou des dommages complexes peuvent se produire. L’explosion de Coulomb peut participer au processus d’enlèvement de matière lorsque le faisceau laser est fortement focalisé sur la surface. Dans cette thèse, nous allons nous concentrer sur la formation de nano-réseaux sur la surface de la silice fondue. Nous mesurons la fluence de l’impulsion nécessaire pour induire des nano-réseaux de surface pour différents espacements entre des impulsions consécutives, pour découvrir et quantifier l’effet d’incubation dans le processus de formation de nano-réseaux. Nous proposons également une équation d’incubation modifiée (seuil d’ablation en fonction de l’espacement entre les impulsions). À l’aide d’un SEM, nous examinons le changement structurel de la morphologie sur la surface induite par la combinaison de différents paramètres d’écriture tels que : l’énergie par impulsion/fluence, l’espacement entre les impulsions et la profondeur de la lumière focalisée sous la surface. Nous montrons ainsi l’évolution des nano-fentes dans le cas statique et pour une petite gamme de fluence d’impulsion et démontrons que des nano-réseaux uniformes peuvent être obtenus lorsque la fluence de l’impulsion est légèrement au-dessus du seuil d’ablation et que la largeur et l’espacement des nano-réseaux dépendent de l’espacement entre les impulsions et de leur fluence. Nous proposons également un nouveau modèle qui inclut les effets de répartition de l’intensité locale et d’incubation. L’évolution progressive de maxima locaux et la formation de nouvelle paires de nanogrooves (cas statique) ou de son autoréplication (cas de numérisation) sur des emplacements spécifiques est en fait la physique derrière le processus de formation qui est fidèlement reproduit dans l’expérience. Jusqu’à maintenant, aucun modèle n’a réussi à bien représenter les phénomènes observés. Finalement, nous présentons les applications potentielles de l’écriture directe d’un certain nombre contrôlable de nanocanaux et nano-réseaux à grande surface. / When a femtosecond laser beam is tightly focused onto transparent materials, strong field ionization followed by avalanche ionization may occur, and a fraction of laser energy is absorbed and transferred into the lattice resulting in local heating. The temperature within the irradiation zone will rise up to the melting or boiling point depending on the incident pulse fluence and material properties. As a result, either smooth modification, or well-shaped nanogratings or complex damage may occur. Coulomb explosion may also participate in the material removal process. In this thesis, we focus on the nanograting inscription on the surface of fused silica. We measure the pulse fluence which is required to induce surface nanogratings for different pulse-to-pulse spacing, uncover and quantify the incubation effect in the nanograting inscription process, and propose a modified incubation equation (ablation threshold as a function of pulse-topulse spacing). Using a scanning electron microscope, we examine the structural change on the surface induced by the combination of different writing parameters such as the pulse energy/fluence, pulse-to-pulse spacing and the depth of the focused light below the surface. We show the shot-to-shot evolution of nanogrooves in the static case for a small range of pulse fluence, and demonstrate that well-shaped nanogratings can be obtained with pulse fluence slightly above the reduced ablation threshold, and that the width and spacing of the nanogratings depend on the pulse-to-pulse spacing and pulse fluence. In particular, we propose a new model which consists of local intensity distribution and incubation effect. The progressive evolution of new local maxima and in turn the formation of new nanogrooves in pairs (static case) or in a self-replicating way (scanning case) at specific locations is in fact the physical focus behind the nanograting inscription, as is faithfully reproduced by the experiment. No previously reported model has ever been successful in that respect. Finally, we discuss and demonstrate the potential applications in direct writing of a controllable number of nanochannels and large-area nanogratings.

Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (LA-ICP-MS) is now a well established analytical technique used to sample solid materials and determine their elemental composition. Two areas that are becoming increasingly important, and for which LA-ICP-MS is a key tool, are bio-imaging and the analysis of micro-particulates. However, current instrumental designs limit the practicality of the technique for these applications. This study investigates the development of a high speed, high efficiency LA-ICP-MS interface through modelling of the flow dynamics of a newly designed laser ablation cell and experimental investigation of single laser pulse response. Through this work the Sniffer-Dual Concentric Injector interface was realised. This interface reduced particle residence times within the laser cell and transport tubing. The interface was also used to investigate turbulence related aerosol dispersion within the ICP and potential designs to overcome this. The resulting design yields an interface with improved sensitivity and reduced aerosol dispersion such that a lower limit of detection is achieved, important when considering the mass of analyte in a single cell or micro-particulate, compared to existing designs. Thus the interface can be used to improve image spatial resolution as the ablation spot size, and thus pixel information, can be reduced; and also reduces total analysis time. The calibration technique Laser Ablation of a Sample In Liquid (LASIL) was also investigated as a means of calibration for solid samples. The investigation lead to the development of LASIL in a droplet, a technique that can be used to calibrate solid samples when a matrix matched standard is unavailable. The mechanism of the technique resulted in an improved laser-energy sample coupling efficiency and a reduction in the liquid to ablated mass ratio, thus decreasing sampling time. As the technique captures the ablated particulate in solution, post chemistry techniques can be used to remove analyte interferences.

L'eau est l'un des moyens les plus efficaces pour le transport des éléments chimiques sur Terre, en particulier à faible profondeur. Les processus de dissolutions - reprécipitations de ces éléments par l'intermédiaire de l'eau est à l'origine de la plupart des gisements de minerais dans le monde, aussi bien de métaux que de pierres précieuses. Cette eau peut être piégée à l'intérieur d'un échantillon géologique, sous la forme d'inclusions fluides. L'étude de ces inclusions permet d'avoir des informations sur les conditions de piégeage et sur la composition du paléofluide. L'étude par ablation laser ICP-MS est une méthode couramment utilisée pour mesurer des compositions chimiques in situ du contenu des inclusions fluides. Les lasers les plus utilisés pour ce genre d'études produisent des impulsions laser dans l'ultraviolet et dont la durée est de l'ordre de la nanoseconde (10-9 seconde). Lors de l'ablation par un laser nanoseconde, les échantillons sont soumis à de forts effets de température au niveau du spot d'ablation, induisant un fractionnement chimique, des effets de matrice ou encore un risque d'accumulation de température pouvant conduire à l'ablation incontrôlée de l'échantillon. Depuis quelques années, les lasers produisant des ablations de l'ordre de la femtoseconde (10-15 seconde) sont utilisés dans les Sciences de la Terre. Leur caractéristique principale est de fournir des ablations mettant en jeu de l'énergie cinétique et photomécanique au lieu d'énergie sous forme de chaleur, diminuant les effets thermiques décrits précédemment. Le but de cette thèse est de valider l'utilisation d'un laser femtoseconde à lumière infrarouge comme alternative efficace pour l'ablation contrôlée et reproductible d'inclusions fluides naturelles ou synthétiques. Nous avons étudié le comportement du quartz à l'ablation femtoseconde infrarouge, et nous avons pu mesurer des seuils d'ablation de 0,06 à 2,9 J.cm-2 en fonction de l'état de surface de l'échantillon. Des taux d'ablation ont été calculés sur les 1000 premiers tirs d'ablation : 0,58 µm/tir constant pour une lentille longue focale, de 0,42 à 0,02 µm/tir pour un objectif à focale courte. Nous nous sommes intéressés en premier lieu aux effets de matrices lors de l'ablation femtoseconde de trois échantillons de matrices différentes, utilisés comme standards externes pour l'analyse LA-ICP-MS des inclusions fluides : des inclusions synthétiques, des capillaires et des verres synthétiques NIST. Aucun effet de matrice n'a été constaté, et le couplage capillaires - verres NIST donne les meilleurs résultats de calibrage des inclusions fluides sur un grand nombre d'éléments, notamment le chlorure. Nous avons ensuite mesuré des concentrations d'éléments dans des inclusions fluides naturelles. Les concentrations s'étalent sur 6 ordres de grandeurs, avec des limites de détection en accord avec la littérature. Ces résultats ont été comparés à des méthodes destructives validées pour l'étude des inclusions fluides, le LIBS et l'ablation laser ICP-MS nanoseconde. La comparaison des trois méthodes a permis de mettre en évidence la faisabilité du laser femtoseconde comme système d'ablation pour l'étude des inclusions fluides. Cette thèse valide donc l'utilisation du laser femtoseconde infrarouge comme alternative valable à l'utilisation des lasers ultraviolets nanoseconde. Elle fournit de plus des caractéristiques d'ablation du quartz avec un laser femtoseconde, et une étude approfondie sur les différents standards externes les plus efficaces pour le calibrage d'analyses LA-ICP-MS d'inclusions fluides naturelles.

L'objectif principal de cette thèse est l'étude spectroscopique de molécules ou de complexes portant plusieurs centres chiraux en phase gazeuse, pour comprendre les effets de la stéréochimie sur leurs propriétés structurales. Des alcaloïdes dérivés de la Cinchonine ont été introduits intacts en phase gazeuse par ablation laser. Ils ont été étudiés en combinant un jet supersonique avec de la spectroscopie laser. Les deux pseudo-énantiomères Quinine et Quinidine ont montré des spectres électroniques et vibrationnels similaires, en accord avec leur structure similaire. Leurs propriétés en solution diffèrent davantage, comme le montrent les expériences de dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD). Cette différence est encore plus marquée dans l'Hydroquinine et l'Hydroquinidine. Enfin la reconnaissance chirale a été étudiée dans des complexes ioniques dans un piège à ions. La stabilité des complexes formés entre S-camphre et les R et S-Alanine protonées indique une préférence homochirale. Cependant, l'énergie d'interaction calculée ainsi que les spectres IRMPD dans la région des empreintes digitales sont identiques. Le rôle des conformères plus hauts en énergie dans la reconnaissance chirale a été discuté.

Ces travaux de thèse avaient pour but de proposer et d'étudier des hétérostructures multicouches originales, associant un matériau ferroélectrique et un diélectrique à faibles pertes, en vue de les intégrer dans des dispositifs hyperfréquences. Ces dispositifs électroniques nécessitent des matériaux avec une agilité élevée en tension accompagnée de pertes diélectriques faibles. L'étude s'est focalisée sur le matériau ferroélectrique KTa1-xNbxO3 (KTN) qui a récemment montré de fortes potentialités dans des dispositifs agiles et le matériau diélectrique relaxeur Bi1,5-xZn0,9-yNb1,5O7-d (BZN). Ces deux matériaux ont tout d'abord été étudiés séparément (caractérisations structurales, microstructurales et physiques). Les propriétés diélectriques ont été mesurées à basses fréquences (100 kHz) et à hautes fréquences (1 à 67 GHz) sur des films de KTN non-dopés et dopés par MgO. Une étude poussée du matériau BZN a montré une forte dépendance des propriétés optiques et diélectriques avec la microstructure des films. Finalement, l'association des deux matériaux, proposée pour la première fois, a été développée par deux méthodes de dépôt (PLD et CSD). Les mesures diélectriques des multicouches BZN/KTN/substrat ont montré une forte réduction des pertes diélectriques de 76% à basses fréquences et de 21% à hautes fréquences. Ces multicouches présentent une accordabilité d'environ 3% sous 22 kV/cm, supérieure à ce qui a pu être mesuré sur des couches minces ou multicouches à base d'autres matériaux ferroélectriques à champ électrique équivalent.

Ce travail rend compte de l'étude de l'oxyde magnétique dilué CeO2 dopé au cobalt et de nano-particules de cobalt dans TiO2-delta. Ces<br />dernières sont entièrement métalliques et présentent des propriétés de magnéto-transport intéressantes. Les couches minces de (Ce,Co)O2 sont texturées sur Si et épitaxiées sur SrTiO3. Celles élaborées sous vide sont ferromagnétiques avec une anisotropie magnétique et un axe facile perpendiculaire à la surface. Celles élaborées ou recuites sous O2 sont beaucoup plus faiblement ferromagnétiques et leur aimantation augmente fortement après un recuit sous vide. Les propriétés magnétiques des couches minces de (Ce,Co)O2 peuvent donc être manipulées réversiblement par des recuits sous atmosphère contrôlée. Le ferromagnétisme n'est pas dû à une phase secondaire comme du cobalt métallique. Des mesures spectroscopiques indiquent que l'état ferromagnétique est<br />corrélé à une forte concentration en lacunes d'oxygène.

Ce mémoire présente une étude de la préparation de couches minces du SmFeO3 (SFO) et du LaNiO3 (LNO) par ablation laser. <br />L'étude s'est d'abord focalisée sur la croissance du SFO sur silice amorphe afin de déterminer les conditions de croissance. Les épaisseurs sont mesurées in situ pendant la croissance par ellipsométrie spectroscopique. La variation thermique des indices optiques ainsi que les paramètres de maille présentent deux transitions qui semblent être corrélées aux températures de Curie (Tc) et de réorientation de spin (TRS). Une croissance épitaxiale du SFO (cube sur cube) sur STO (001) a été aussi obtenue. Les mesures magnétiques à l'ambiante (SQUID) montrent que les moments magnétiques pointent dans la direction perpendiculaire au film, c'est à dire suivant c, axe de facile aimantation à haute température (T> TRS) contrairement aux prévisions (axe a).<br />Une optimisation des températures de substrat et de pression d'oxygène a été ensuite réalisée lors de la croissance épitaxiale (cube sur cube) du LNO sur STO (001). La variation thermique des indices optiques, linéaire, présente un changement de pente dans la gamme [200-300°C]. L'ellipsométrie permet également la détection des transitions métal-isolant associées à la réduction et ré-oxygénation des films. La cinétique de la ré-oxygénation est détaillée ainsi que le contrôle de l'état d'oxydation.<br />Enfin, nous avons étudié les hétérostructures SFO/LNO/STO et SFOII/LNOII/SFOI/LNOI /STO. Nous avons montré que SFO croit de manière épitaxiale (cube sur cube) sur LNO. L'influence des épaisseurs de SFO et de LNOII sur les propriétés de transport à basse température des empilements est finalement démontrée.

Cette thèse décrit la fabrication de couches épaisses nanostructurées magnétostrictives par dépôt supersonique de nanoparticules sur un substrat ; ces nanoparticules étant obtenues par le procédé d'Ablation Laser de Microparticules de Terfenol-D en aérosol. Un bloc solide de Terfenol-D a été réduit en poudre de microparticules de 0,3 à 3 µm de diamètre. Ces microparticules ont ensuite été injectées dans un aérosol s'écoulant en continu et ablaté par un laser ultraviolet KrF pulsé. Puis, les nanoparticules formées après l'ablation ont été accélérées par leur passage dans un micro-orifice. Le jet supersonique de nanoparticules en découlant a été utilisé pour déposer une couche épaisse sur un substrat à température ambiante. Les nanoparticules étaient amorphes, comme l'ont montré les analyses de diffraction aux rayons X des couches et les mesures de microscopie électronique à transmission (TEM) effectuées sur des particules individuelles. La distribution des tailles des nanoparticules était typique du procédé LAM : entre 3 et 20 nm de diamètre avec une moyenne de moins de 10 nm.<br /> Les couches déposées ont été caractérisées par la méthode des poutres pour déterminer le module élastique et le niveau de magnétostriction. Les couches étant poreuses en raison de leur nature granulée, leur module élastique était réduit à environ 15 GPa. Le niveau de magnétostriction des couches était d'environ 15 ppm ; cette magnétostriction réduite (1/30 de celui des couches fines) étant dû à un problème d'oxydation. Une analyse spectroscopique du plasma produit par l'ablation a permit la détermination de la source d'oxydation. L'étendue de l'oxydation des couches est apparue directement dépendante de la taille des microparticules utilisées initialement pour fabriquer les nanoparticules. Après calculs théoriques, pour des densités typiques d'aérosol utilisées dans le procédé LAM, il a été démontré que les nanoparticules fabriquées à partir de microparticules de plus de 3 µm de diamètre n'étaient pas affectées de façon significative par les impuretés présentes dans le gaz ou par l'oxydation de surface des microparticules. En revanche, les nanoparticules fabriquées à partir de microparticules de 0,3 µm de diamètre ou moins étaient, elles, oxydées et les couches en résultant l'étaient aussi. Experimentalement le diamètre des microparticules injectées en aérosol était présumé être entre ces deux cas.