Le couplage de l'Ablation Laser et de la Spectrométrie de Masse à Plasma Inductif Couplé (LA-ICP-MS) a été mis en œuvre pour la détermination quantitative des éléments traces dans des matrices de carbonate de calcium (CaCO3) grâce à l'utilisation de pastilles étalons de CaCO3 (concentrations en éléments traces: 0-500 µg.g-1). L'analyse quantitative des éléments traces le long des stries journalières de calcite des coquilles Saint Jacques Pecten maximus a conduit à la définition de profils chronologiques et à haute résolution temporelle. La signification de ces profils a ensuite été évaluée particulièrement pour la Rade de Brest (France). Les concentrations coquillières de fond sont directement liées aux concentrations de l'eau de mer en phase dissoute et aux constantes de solubilité dans les carbonates, traduisant ainsi les conditions environnementales et hydro climatiques moyennes. Des enrichissements récurrents, transitoires et/ou saisonniers ont été observés pour le molybdène (Mo), le baryum (Ba) et le manganèse (Mn). Les enrichissements du Mo et du Ba dans la coquille sont identifiés comme des indicateurs de la dynamique phytoplanctonique dans les environnements côtiers tempérés. Les enrichissements du Mn, observés spécifiquement pour les coquilles de la Baie de Seine, traduisent les apports fluviaux de la Seine et les oscillations des conditions rédox dans la colonne d'eau et à l'interface eau/sédiment. La micro chimie des éléments traces de la coquille est donc établie comme une archive à haute fréquence des changements des environnements côtiers tempérés, et permet aussi de mieux comprendre le cycle biogéochimique des éléments traces à l'interface eau - sédiment.

Ce travail présente une étude originale de l'interaction laser-matière en régime nanoseconde à l'aide d'une double approche expériences-modélisation numérique. L'approche expérimentale vise à caractériser les plasmas produits par laser et l'empreinte laissée par le faisceau laser sur la cible. L'approche numérique s'appuie sur un modèle 1D qui permet de décrire le chauffage de la cible par le laser, l'ablation de matière et la formation d'un plasma dans cette matière ablatée due à l'interaction avec le laser. Des comparaisons des résultats obtenus par les deux approches permettent d'évaluer le degré de précision des résultats issus du modèle. Ces comparaisons se limitent aux 100 premières nanosecondes d'expansion du plasma. Nous montrons ainsi que le modèle décrit assez bien l'écrantage du faisceau laser par le plasma, l'expansion du plasma et la propagation de l'onde de choc dans le gaz ambiant. De plus, les valeurs des seuils d'ablation et de formation du plasma sont calculées avec une bonne précision. En revanche, des écarts sont constatés pour la modélisation des processus d'interaction entre le laser et la cible. Le degré de précision du modèle est au final suffisamment bon pour nous permettre d'étudier précisément l'effet du gaz ambiant sur les propriétés et la dynamique du plasma.

L’ablation de cibles d’Al nanocristallines (taille moyenne des cristallites d = 3,1 et 6,2 nm) par impulsions laser ultrabrèves (200 fs) a été étudiée par l’entremise de si- mulations combinant la dynamique moléculaire et le modèle à deux températures (two- temperature model, TTM) pour des fluences absorbées allant de 100 à 1300 J/m2. Nos simulations emploient un potentiel d’interaction de type EAM et les propriétés électro- niques des cibles en lien avec le TTM sont représentées par un modèle réaliste possédant une forme distincte dans le solide monocristallin, le solide nanocristallin et le liquide. Nous avons considéré l’effet de la taille moyenne des cristallites de même que celui de la porosité et nous avons procédé à une comparaison directe avec des cibles mono- cristallines. Nous avons pu montrer que le seuil d’ablation des métaux nanocristallins est significativement plus bas, se situant à 400 J/m2 plutôt qu’à 600 J/m2 dans le cas des cibles monocristallines, l’écart étant principalement dû à l’onde mécanique plus im- portante présente lors de l’ablation. Leur seuil de spallation de la face arrière est aussi significativement plus bas de par la résistance à la tension plus faible (5,40 GPa contre 7,24 GPa) des cibles nanocristallines. Il est aussi apparu que les contraintes résiduelles accompagnant généralement l’ablation laser sont absentes lors de l’ablation de cibles d’aluminium nanocristallines puisque la croissance cristalline leur permet d’abaisser leur volume spécifique. Nos résultats indiquent aussi que le seuil de fusion des cibles nano- cristallines est réduit de façon marquée dans ces cibles ce qui s’explique par la plus faible énergie de cohésion inhérente à ces matériaux. Nos simulations permettent de montrer que les propriétés structurelles et électroniques propres aux métaux nanocristallins ont toutes deux un impact important sur l’ablation. / The ablation of nanocrystalline (mean crystallite size d = 3.1 and 6.2 nm) Al tar- gets by ultrashort (200 fs) laser pulses was studied using hybrid simulations combining molecular-dynamics and the two-temperature model (TTM) for a range of absorbed flu- ence of 100 to 1300 J/m2. Our simulations employ an EAM interatomic potential and the TTM-related electronic properties are modelled using three distinct functions to rep- resent the monocrystalline solid, the nanocrystalline solid, and the liquid in an accurate way. Comparison between targets displaying two mean grain sizes, porous targets, and monocrystalline targets are reported. This study showed a significantly reduced abla- tion threshold of 400 J/m2 instead of the 600 J/m2 obtained for the single crystals, the discrepancy being mainly accounted for by an increase in the magnitude of the pressure wave generated during ablation. The spallation threshold of the back side of the target is also reduced owing to a lower tensile strength (5.40 GPa against 7.24 GPa). This work also allowed to discover that residual stress generally associated with laser ablation is totally absent in nanocrystalline samples as crystal growth provides a mechanism for volume reduction near the melting temperature. Furthermore, our results demonstrate that the melting threshold shows an important decrease and the melting depth an im- portant increase in the nanocrystalline samples which can be explained by their lower cohesion energy. Our simulations shed light on the fact that a realistic modelling of both structural and electronic properties of the nanocrystalline target is important to produce a reliable representation of laser ablation.

Les métaux de transitions possèdent des électrons \emph{d} de valence d'où une grande richesse de configurations électroniques à l'origine de leur réactivité spécifique. Les éléments de la deuxième rangée présentent en particulier des orbitales atomiques \emph{4d} et \emph{5s} de taille et d'énergie voisines, leur permettant d'être impliquées toutes deux dans des processus réactifs. Nous nous sommes intéressés à la réactivité d'un de ces éléments, le zirconium, associé à une simple molécule organique fonctionnalisée dans un complexe de vdW formé en jet moléculaire supersonique dans le cas modèle de la réaction $\ce {Zr}$~+~$\ce {CH3F}$.<br /><br />Dans ces complexes, l'une des réactions qui nous intéresse conduit à la formation de $\ce {ZrF}$. La spectroscopie électronique de $\ce {ZrF}$ dans ses bandes principales entre 400~-~470~nm est extrêmement riche et surprenante pour une molécule diatomique. Cette étude a permis d'identifier l'état fondamental de $\ce {ZrF}$ ($\rm X^2\Delta$) à travers la simulation des structures rotationnelles des bandes observées et d'obtenir des informations essentielles sur sa structure électronique. Ces résultats expérimentaux sont en accord avec les calculs \emph{ab initio}.<br /><br />Les états excités du complexe $\ce {Zr\bond{...}F\bond{-}CH3}$ ont été étudiés avec une méthode de dépopulation. Le domaine spectral 615~-~700~nm est particulièrement intéressant car il révèle un groupe diffus de bandes déplacées vers les plus faibles longueurs d'onde et élargies par rapport à la transition $\rm z^3F$~$\leftarrow$~$\rm a^3F$ dans le métal. Cette transition est interdite à partir de l'état fondamental $\rm a^3F_2$ du zirconium mais permise à partir de l'état $\rm a^3F_4$. La complexation par $\ce {CH3F}$ permet un couplage entre ces deux composantes et assure la ransition optique depuis l'état fondamental du complexe.

Ce travail explore le contrôle de la composition et la cinétique du panache d'ablation laser en régime ultrabref par mise en forme temporelle des impulsions laser femtoseconde. L'objectif est l'optimisation du dépôt de couches minces et de nanoparticules. Le chapitre 1 est une synthèse de la littérature sur le dépôt de couches minces par ablation laser femtoseconde, en particulier de films de Diamond-Like Carbon et de nanoparticules. L'influence de la mise en forme temporelle du laser sur les mécanismes d'ablation est développée, ainsi que le diagnostic du panache d'ablation. Le chapitre 2 présente les dispositifs expérimentaux de mise en forme temporelle et de diagnostic du panache d'ablation par spectroscopie d'émission résolue en temps et espace et spectroscopie d'extinction. Le chapitre 3 rapporte l'impact de l'utilisation d'impulsions doubles et élargies sur les panaches de l'aluminium et du bore. L'augmentation de la composante ionique du plasma d'aluminium est expliquée au travers de simulations hydrodynamiques. Dans le chapitre 4, différentes formes temporelles sont employées pour l'ablation du graphite et le dépôt de couches de Diamond-Like Carbon. Le contrôle de la cinétique du panache est atteint en peuplant plus ou moins ses différentes composantes de vitesse : molécules, atomes et ions. Si la structure du Diamond-Like Carbon déposé n'est pas affectée, une amélioration de la surface des couches est observée. Le chapitre 5 montre l'efficacité et la sensibilité de la spectroscopie d'extinction optique pour la mesure in situ de la distribution en taille des nanoparticules métalliques dans le panache d'ablation laser femtoseconde

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.

Dans la perspective du développement de vitrages électrochromes « en milieu protonique », des films minces électrochromes à coloration anodique, à base d’oxyde de nickel, ont été synthétisés et caractérisés. Afin d’améliorer la durabilité des films minces à base de NiO, trois approches ont été envisagées. (i)Des films d’oxyde de nickel et d’oxyde mixte nickel/lithium, déposés par PLD (Pulsed Laser Deposition). Nous avons étudié l’influence du lithium sur les propriétés physico-chimiques (‘amorphisation..), et les caractéristiques électrochromes (électrochimique-optique) en milieu aqueux KOH 1M. (ii) Des films composites, préparés par voie chimique (solution), constitués d’une phase amorphe (en diffraction des Rayons X), de composition Ti1-xZnxO2-x?x, englobant des cristallites de NiO de ~ 5 nm de diamètre. Les courbes voltampérométriques révèlent que seule la phase NiO est électrochimiquement active, mais la phase amorphe, grâce aux lacunes anioniques neutres, ?x, renforce la tenue mécanique des films déposés sur les substrats FTO/verre. Il s’ensuit que ces films composites sont plus stables au cyclage, en milieu aqueux KOH 1M, que leurs homologues TiO2/NiO. (iii) Des films minces d’oxyde de nickel dopés par du carbone, préparés par une voie sol-gel originale, présentant une remarquable tenue en cyclage (> 25000 cycles en milieu aqueux KOH 1M), jamais observée jusqu’ici pour NiO. / Aiming at enhancing the electrochromic properties of NiO thin films, deposited on FTO substrates, we have employed three different approaches. They deal with: 1) lithium doping of NiO, the corresponding thin film-deposition method is PLD (Pulsed Laser Deposition); 2) NiO nanoparticles embedded into zinc doped amorphous titanium oxide matrix, a solution method is used to deposit the corresponding thin films ; 3) Carbon-doped NiO thin films deposited using, a specific sol-gel method. Owing to lithium doping of NiO, we could induce film amorphization, thereby enhancing the film electrochemical-capacity. Most importantly, the adhesion between the film and the FTO substrate was improved leading to enhanced electrochemical cyclability in aqueous KOH electrolyte. We could enhance the electrochromic performances of TiO2/NiO composite thin films by doping TiO2 with Zn2+, forming to a new composite thin film Ti1-xZnxO2-x?x-NiO. Finally we have successfully stabilized the electrochromic properties (durability and optical property) of NiO thin films in aqueous KOH electrolyte, owing to the development of a specific sol-gel method leading to carbon-doped NiO nanoparticles. For the first time 25000 cycles were successfully achieved without significant decrease of the electrochromic performances.

Le but de ce travail de thèse est de réaliser des vannes de spin « naturelles » constituées d’un matériau unique. Le matériau en question doit contenir une alternance de feuillets magnétiques et non magnétiques et présenter différents états magnétiques. Ce système modèle ne présenterait alors ni d’inter diffusion ni de rugosité aux interfaces magnétiques/non-magnétiques et pourrait constituer un système modèle pour les études des phénomènes de transport dépendant de spin. Le CoV2O6 est un oxyde polymorphe de basse dimensionnalité. Les deux phases (α et γ) présentent chacune plusieurs plateaux d’aimantation induits par un champ magnétique. Le premier objectif est de comprendre la structure cristalline et magnétique de ce composé, ce qui a été réalisé par des mesures d’aimantation, de diffraction des rayons X et de neutrons sur des poudres et monocristaux. Les résultats de la phase α sont appuyés par des calculs ab initio. Le second objectif est de déposer ce matériau en couche mince afin d’analyser ses propriétés de transport. Des films épitaxiés de γ CoV2O6 ont été obtenus sur TiO2(100) et TiO2/Pt(111) par ablation laser. Le dépôt sur l’électrode de Pt montre la présence de six variants entrainant l’observation de plateaux d’aimantation supplémentaires. / The purpose of this work is to synthesize “natural” spin valves within one unique material. The material needs a crystalline structure formed by stacking magnetic and non-magnetic sheets as well as different magnetic states. Such model system could be used for the study of spin dependent transport properties as no-roughness or diffusion at the magnetic/non-magnetic interfaces is allowed. The polymorph low-dimensional oxide CoV2O6 is such a material. Both phases (α and γ) exhibit field induced magnetization plateaus. This study’s first aim is to understand crystalline and magnetic structures. Investigations were performed on powders and single crystals using magnetization measurements as well as X-ray and neutron diffraction measurements. The magnetic properties of α CoV2O6 were supported by ab initio calculations. The second aim is to grow CoV2O6 thin films in order to analyze further the transport properties. Epitaxial γ CoV2O6 thin films were obtained by pulsed laser ablation on both TiO2(100) and TiO2/Pt(111) substrates. Films grown on Pt electrode exhibit six variants which allows observing additional magnetization plateaus.

L'utilisation de lasers est largement répandue dans le domaine de la microanalyse directe des solides. La matière vaporisée, en focalisant un faisceau laser de forte puissance sur la cible, peut être analysée soit par spectrométrie d'émission optique sur plasma induit (LIBS, acronyme anglais pour Laser Induced Breakdown Spectroscopy), soit par une source à plasma induit par haute fréquence couplée à la spectrométrie d'émission optique (ICP-AES) ou à la spectrométrie de masse (ICP-MS). Avec une résolution spatiale à l'échelle microscopique, les techniques d'ablation laser permettent ainsi d'accéder à la composition élémentaire locale de la surface d'un matériau. Néanmoins, les performances analytiques de ces techniques pourraient être améliorées par l'utilisation combinée des informations LIBS et ICP afin également de comprendre et maîtriser davantage l'interaction laser/matière. Dans ce but, ce travail a consisté à développer une technique de microanalyse par ablation laser couplée avec une détection en simultané par ICP et par LIBS afin d'étudier les potentialités analytiques de cet instrument pour cartographier la surface des matériaux. Les performances et les limitations de ce système ont été évaluées d'une part, en caractérisant les aérosols produits par ablation laser et d'autre part, en étudiant les signaux LIBS et ICP obtenus à partir d'un même prélèvement de matière. Le phénomène de fractionnement élémentaire rencontré sur des matrices critiques telles que le laiton a été mis en évidence en microablation malgré des caractéristiques de l'interaction laser/matière différente de la macroablation. Une méthode de correction, a posteriori, par l'efficacité d'extraction de la cellule d'ablation a été proposée afin de pallier ces effets limitatifs pour l'analyse quantitative. Une cellule d'ablation, optimisée à partir d'une étude de simulation numérique, a été développée afin de s'adapter aux applications de cartographies de surface. Les performances analytiques du système ont été évaluées en termes de stabilité (8-10%), de résolution spatiale (5 µm) et de limites de détection (de l'ordre de la ppm dans le solide avec un détecteur de masse). La complémentarité des mesures LIBS et ICP représente à la fois un outil de diagnostic de l'interaction laser/matière et un instrument d’analyse très complet grâce à la double détection qui permet de suivre simultanément des traces et des majeurs sur une large gamme d'éléments de la classification périodique / Laser ablation is widely spread for solid sample microanalysis. A tightly focused laser beam allows direct sampling of matter, the ablated mass can then be analysed either with LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) or with an inductively coupled plasma source combined with an optical emission spectrometer (ICP-AES) or a mass spectrometer (ICP-MS). With spatial resolution down to the micron scale, laser ablation techniques permit local elemental analysis of sample surface. Nevertheless, analytical performances of such techniques could be improved by combining LIBS and ICP information to understand and control laser/matter interaction. For this purpose, this work aimed to develop a microanalytical technique based on laser ablation coupled to simultaneous detection with LIBS and ICP to study analytical potentialities of such technique for elemental mapping of material surface. Performances and limitations of the system were studied on one hand, by characterizing laser-induced aerosols and on the other hand, by studying simultaneous LIBS and ICP signals. Elemental fractionation on critical matrices such as brass was evidenced in microablation despite a different laser/matter interaction compared with macroablation. A correction procedure a posteriori using the total extraction efficiency of the ablation cell was proposed to overcome this problem for quantitative analysis. An ablation cell, optimized from a numerical simulation study, was developed for mapping applications. Analytical performances were evaluated in terms of stability (8-10 %), spatial resolution (5 µm) and detection limits (in the ppm range with ICP-MS). The LIBS and ICP complementarity makes the double detection system a diagnostic tool for laser/matter interaction and an analytical instrument allowing simultaneous monitoring of traces and majors from a large element range of the periodic classification

Les matériaux multiferroïques et/ou magnétoélectriques sont riches en promesses de nouvelles applications, comme par exemple des mémoires quatre états à densité accrue ou des mémoires magnétoélectriques à faible consommation d’énergie. Ces promesses restent cependant pour l’instant lettres mortes en raison du très faible nombre de matériaux présentant ces propriétés à température ambiante, et des forts courants de fuite qu’ils présentent en couches minces. Cette thèse porte sur un matériau prometteur en termes d’applications, car magnétoélectrique et ferrimagnétique à température ambiante, le ferrite de gallium de composition Ga0.6Fe1.4O3 (GFO).Nous avons démontré la possibilité de réduire les courants de fuite et moduler à volonté le type de conduction n ou p dans les couches minces de cet oxyde transparent, semi-conducteur, et magnétique, par dopage par des ions Ni2+. Une optimisation de la croissance de GFO par pulvérisation cathodique a par ailleurs montré qu’il était possible de le déposer sous champ électrique, ce qui ouvre d’intéressantes perspectives pour l’optimisation de la polarisation électrique des couches minces. / The multiferroic and/or magnetoelectric materials are full of promises in terms of new applications, such as for example higher density four state memories or lower power consuming magnetoelectric memories. These promises are however actually put off because too few materials present these properties at room temperature and because their thin films present too high leakage currents. This thesis focusses on a room temperature magnetoelectric and ferrimagnetic material promising in terms of applications, the gallium ferrite Ga0.6Fe1.4O3 (GFO).We have demonstrated the possibility to strongly reduce the leakage currents and perfectly tune from n to p the conduction type in transparent, semi-conducting, and magnetic thin films of GFO through Ni2+ doping. The optimization of the growth of GFO thin films by sputtering has moreover shown the possibility of deposition under an electric field, which opens ways to control of the electric polarization of the films.