Nous avons développé un nouveau système de détection sans temps mort, résolu en temps et en position et basé sur des galettes de microcanaux. Le principe de ce détecteur est de coupler deux systèmes de détection indépendants qui observent le même événement pour aboutir à leur localisation sans temps mort. Le premier système est constitué d'une caméra CCD capable de fournir l'information position. Le deuxième est constitué d'une carte de numérisation pour enregistrer le signal temps issu des galettes de microcanaux. Le lien entre ces deux systèmes est assuré par une anode constituée de deux lignes à retard, placées derrière les galettes de microcanaux, capable de fournir les deux informations temps et position mais d'une façon moins précise. Ce détecteur opérant au kHz permet d'atteindre une résolution spatiale de 100 µm et temporelle de 100 ps.<br />Nous avons étudié la fragmentation induite par collision des petits agrégats d'argon (Ar2+ et Ar3+) avec une cible d'argon atomique dans la gamme des énergies du keV. Toutes les voies de fragmentation : la dissociation induite par collision (CID) et l'échange de charge dissociatif (DCT) sont analysées par la corrélation vectorielle de tous les fragments détectés en coïncidence. En particulier, nous avons montré que le processus DCT dépendait fortement de l'énergie interne initiale de l'agrégat (i.e. du défaut de résonance). La comparaison de diverses observables mesurées en collision Ar2+-Ar et Ar3+-Ar nous a conduit à conclure que les agrégats Ar3+ produits dans notre source ont majoritairement la structure d'un dimère chargé (Ar2+) autour duquel orbite un troisième atome peu lié.

L'objet de ce travail est l'analyse complète de la fragmentation d'agrégats d'alcalins (Na_n^+ (n < 10), NaK^+ et K_2^+) consécutive à une collision avec une cible légère atomique (He) ou moléculaire (H_2). Il s'agit d'étudier les mécanismes d'excitation et de désexcitation, c'est-à-dire de déterminer comment l'énergie est transmise à l'agrégat au cours de la collision et de quelle manière cette énergie se répartie sur les différents degrés de liberté du système pour conduire à sa fragmentation. Deux types d'interaction gouvernent les processus de dissociation induite par collision : les mécanismes électroniques pour lesquels la molécule est portée dans un état dissociatif par perturbation de son nuage électronique et les mécanismes impulsionnels où la quantité de mouvement transférée aux atomes provoque la dissociation rovibrationnelle de la molécule. La méthode expérimentale utilisée repose sur la mesure des vecteurs vitesse des fragments issus de la collision et détectés en coïncidence. Elle permet de remonter à la cinématique complète de la fragmentation et ainsi de séparer et caractériser pour la première fois sans ambiguïté les deux types d'interaction. Les deux mécanismes de base de dissociation induite par collision ont pu être clairement mis en évidence dans le cas du dimère Na_2^+. L'étude de la molécule hétéronucléaire NaK^+ a révélé la combinaison des mécanismes électronique et impulsionnel pour certaines voies de dissociation. Cette méthode expérimentale appliquée à l'étude de la fragmentation des agrégats métalliques Na_n^+ (n < 10) a montré le rôle et l'importance relative de ces mécanismes ainsi que leur évolution avec la taille du système. L'analyse complète de la multi-fragmentation du système simple Na_3^+ est également présentée.

Cette thèse concerne l'étude de la désexcitation d'agrégats et d'atomes par imagerie de photoélectrons. La première partie s'intérèsse à l'émission thermoïonique d'un système de taille finie. Un dispositif d'imagerie 3D nous permet de mesurer l'évolution temporelle du spectre d'énergie des électrons émis par différents agrégats (Wn-, Cn-, C60). Nous avons alors un accès direct aux quantités fondamentales qui caractérisent cette émission statistique : la température du bain thermique fini et le taux de déclin. La deuxième partie concerne l'ionisation d'états de Rydberg atomiques en présence d'un champ électrique statique. Nous avons réalisé la première expérience de microscopie de photoïonisation qui permet d'obtenir une image qui est la projection macroscopique de la fonction d'onde électronique. Nous avons ainsi accès au détail de la photoïonisation et en particulier aux propriétés quantiques de l'électron habituellement confinées à l'échelle atomique

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Les méthodes de calcul en fatigue à grande durée de vie sont en cours de développement depuis des décennies et sont utilisées par les ingénieurs pour dimensionner les structures. Généralement, ces méthodes se basent sur la mise en équations de quantités mécaniques calculées à l'échelle macroscopique ou mésoscopique. Les critères de fatigue multiaxiale reposent généralement sur des hypothèses de changement d'échelle dont l'objectif est d'accéder à l'état de contraintes ou de déformations à l'échelle du grain. Dans les approches de type plan critique (Dang Van, Papadopoulos, Morel), l'amorçage d'une fissure de fatigue est considéré comme piloté par une quantité mécanique liée à une orientation matérielle particulière (plan critique). Si ces phénomènes sont bien établis dans le cas des chargements uniaxiaux, la nature des mécanismes liés à l'activation des systèmes de glissement, à la multiplicité du glissement et aux différents sites préférentiels d'amorçage de fissures sous chargements complexes reste peu connue.Afin de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement en fatigue multiaxiale, les techniques d'analyse et de caractérisation de l'activité plastique (activation des systèmes de glissements, bandes de glissement persistantes) et d'observation de l'endommagement par fatigue ont été mises en place en se basant principalement sur des observations MEB et analyses EBSD. Ces investigations ont permis de mettre en lumière les effets des chargements non proportionnels sur la multiplicité du glissement sur du cuivre pur OFHC. L'étude statistique des sites préférentiels d'amorçage de fissures montre que les grains à glissement multiple présentent une forte probabilité d'amorçage de fissures, surtout sous les chargements non proportionnels. Nous avons également mis en évidence le rôle des joints de grains et des joints de macle sur le développement de la plasticité à l'échelle de la microstructure. Les résultats expérimentaux sont confrontés à ceux du calcul éléments finis (EF) en plasticité polycristalline sur des microstructures synthétiques 3D semi-périodiques. L'application du critère de Dang Van à l'échelle mésoscopique (le grain) montre une forte variabilité de la contrainte hydrostatique et du cisaillement. Cette variabilité est plus importante pour un modèle de comportement cristallin élastique anisotrope. Le rôle de la plasticité cristalline se révèle secondaire. Ces analyses permettent de remettre en perspective les hypothèses usuelles de changement d'échelle utilisées en fatigue multiaxiale. Enfin, une méthode basée sur la statistique des valeurs extrêmes est proposée pour le dépouillement des calculs EF sur agrégats. Cette analyse a été appliquée sur la contrainte équivalente associée au critère de fatigue de Dang Van pour les calculs d'agrégats polycristallins avec différentes morphologies et orientations des grains. Les effets de la surface libre, du type de chargement et du modèle de comportement mécanique des grains ont été analysés. Les résultats offrent des perspectives intéressantes sur la modélisation de l'amorçage des fissures en fatigue multiaxiale des matériaux et des structures avec une prise en compte de la microstructure.

"Que peut-on apprendre en collant des atomes sur des agrégats ?". Le travail présenté ici répond (partiellement) à cette question. Grâce à un dispositif expérimental original, nous pouvons contrôler les réactions de collage entre un atome et un agrégat libre, sélectionné en masse et thermalisé. Cela nous permet mesurer des sections efficaces absolues pour ces réactions de collage. Nous montrons que, dans le cas d'agrégats de sodium, la section efficace mesurée suit une loi différente de celle prévue par le modèle géométrique généralement utilisé : le modèle de sphères dures. Nous expliquons en partie cette différence dans le cadre d'un modèle de harponnage et nous discutons l'influence de cette loi d'échelle non-géométrique sur la description des processus de nucléation et dans le cadre des théories<br />microréversibles décrivant l'évaporation des agrégats.<br />La maîtrise de réactions de collage ouvre d'autre part la possibilité de réaliser des expériences de nanocalorimétrie et donc de caractériser des transitions de phase dans les agrégats. Nous montrons en effet qu'il est possible de déterminer la capacité calorifique d'un agrégat en comptant simplement le nombre d'atomes que l'on peut coller dessus.<br />La méthode de mesure qui en découle s'avère au moins aussi précise que les deux autres méthodes existantes. Dans le cas des agrégats de sodium, nous pouvons ainsi mesurer les températures et chaleurs latentes de fusion pour des agrégats aussi petits que Na30+. Les résultats obtenus sont discutés dans le cadre d'un modèle à deux niveaux pour la fusion.

L'objectif de cette thèse est d'étudier le dépôt de couches minces par pulvérisation plasma à l'aide de simulations de dynamique moléculaire, en mettant l'accent sur les mécanismes de la formation de la microstructure dans diverses conditions de dépôt pertinentes pour les expériences. Des dépôts de films minces de ZrxCu100-x et AlCoCrCuFeNi sur Si (100) par procédé magnétron de co-pulvérisation ont été étudiés par simulations de dynamique moléculaire utilisant des conditions initiales similaires à celles des expériences. Les résultats montrent que la phase de films minces ZrxCu100-x est déterminée par la composition de l'alliage binaire et par l'énergie cinétique moyenne des atomes incidents. Les alliages AlCoCrCuFeNi simulés possèdent la structure fcc / bcc modulée par la composition, en conformité avec l'expérience. Ils ont une tendance à évoluer vers une solution solide de verres métalliques massifs a été trouvée. Le dépôt par pulvérisation plasma d'atomes de platine sur deux substrats carbonés nanostructurés (carbone poreux et nanotubes de carbone) a également été étudié à température ambiante (300K) et pour deux ensembles de paramètres de potentiels Lennard-Jones et à trois distributions d'énergie cinétique différentes d'atomes Pt incidents sur le substrat. Les résultats des simulations sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Enfin, la simulation numérique des décharges magnétron a été introduite en vue de déterminer les paramètres d'entrée pour les simulations de MD. Les particules chargées sont décrites par le modèle hydrodynamique, en utilisant des expressions classiques des flux. Les caractéristiques du réacteur sont reproduites par les premières simulations.

Si les diagrammes de phase des alliages binaires massifs sont désormais bien connus, il en va tout autrement de ceux des nanoalliages, particules constituées de quelques centaines à quelques milliers d’atomes. Le développement des nanotechnologies est un puissant moteur pour développer la connaissance des diagrammes de phase des nanoparticules. Dans ce but, nous avons étudié le polyèdre de Wulff de 405 atomes (PW405) dans le système Cu-Ag caractérisé par une forte différence de rayons atomiques entre les constituants et une tendance à la démixtion, du moins dans sa forme massive. L’étude est réalisée par simulations Monte Carlo utilisant un potentiel interatomique à N-corps, en tirant parti de la richesse de deux ensembles thermodynamiques, à savoir les ensembles pseudo-grand canonique, i.e. à différence de potentiel chimique fixée, et canonique, i.e. à concentration nominale fixée. Nous montrons tout d’abord qu’un diagramme de phase de nanoalliage est constitué d’un ensemble de diagrammes de phase attachés à des classes de sites de surface ou des couches internes. Ainsi, pour le PW405, nous distinguons trois diagrammes de phase : ceux des facettes (100) et (111) et celui des couches de cœur. Chacun de ces trois diagrammes est attaché à des phénomènes physiques très différents. Ainsi, le diagramme de phase des facettes (100) est relatif à une transition structuro-chimique, alors que celui des facettes (111) caractérise une transition démixtion – désordre sans évolution structurale. Dans l’ensemble p-GC, cela se traduit par une bistabilité collective pour les facettes (100) et individuelle pour les facettes (111). Une conséquence de ce dernier point est la possibilité d’observer des facettes (111) pures en cuivre et d’autres pures en argent au sein d’un même agrégat !L’utilisation de la méthode de Widom pour déterminer dans l’ensemble canonique s’est révélée déterminante pour pouvoir séparer les régimes monophasés de ségrégation superficielle ou sub-superficielle des régimes biphasés. La différence de rayons atomiques joue un rôle important, tant dans la stabilisation dans l’état biphasé de la configuration Janus dissimulée par une coquille d’argent, que dans l’abaissement de la température critique par un facteur d’environ 2 par rapport au diagramme de phase massif.Une analyse des simulations Monte Carlo par une approche en champ moyen sur réseau effectif s’est révélée d’une richesse insoupçonnée pour déterminer les fores motrices de chaque type de transition, tant à la surface que dans les couches de cœur. Cela nous a permis de plus de montrer que les arêtes jouent le rôle d’une véritable nano-armature pour l’agrégat. Ce travail s’achève par ce qui constitue, à notre connaissance, la proposition du premier diagramme de phase de nanoalliage. / If bulk phase diagrams of binary alloys are now well known, it is not the case for nanoalloys, which are particles consisting in a few hundred to a few thousand of atoms. The development of nanotechnologies is a powerful driving force to develop the interest in the phase diagrams of nanoparticles. For this purpose, we have studied the Wulff polyhedron of 405 atoms (PW405) in the Cu-Ag system characterized by a large difference in atomic radii between the components and a tendency to phase separation, at least in the bulk. The study is carried out by Monte Carlo simulations using N-body interatomic potentials, taking advantage of the complementarity of two thermodynamic ensembles, namely the semigrand canonical ensemble (sGC), i.e. at fixed difference in chemical potentials and the canonical ensemble, i.e. at fixed nominal concentration.We first show that a phase diagram of nanoalloy consists in a set of phase diagrams related to the various classes of surface sites or to the internal layers. Thus, for the PW405, we distinguish three phase diagrams: the (100) facets diagram, the (111) facets diagram and the phase diagram for the layers of the core. Each of these diagrams is linked to very different physical phenomena. Thus, the phase diagram of the (100) facets is related to a structural and chemical transition, while the one of the (111) facets characterizes a transition between phase separation and disorder, without structural evolution. In the sGC ensemble, this results in a collective bistability for the (100) facets and an individual bistability for the (111) facets. A consequence of this last point is the possibility to observe some (111) facets pure in copper and other (111) facets pure in silver within the same nanoparticle !The use of the Widom method to determine in the canonical ensemble is decisive in order to discriminate between a single-phase regime (with surface or subsurface segregation) and a two-phase regime. Furthermore, the difference of atomic radii between Cu and Ag plays an important role, both for stabilizing the Janus configuration (with an Ag shell) in the two-phase state, and for lowering the critical temperature of the core layers by a factor of about 2 with respect to the bulk phase diagram.An analysis of the Monte Carlo simulations within an effective lattice formalism and a mean-field approximation is very powerful to determine the driving forces at the origin of each type of transition, both for the different facets of the surface layers and for the core. Moreover, this allowed us to show that the edges act as a nano-armature for the nanoparticles. This work ends with the establishment of what should be considered as the first phase diagram of nanoalloys, to the best of our knowledge.

Les campagnes de recherche - comprenant la conception de nouveaux matériaux, la prospection, la réalisation de composites et leur caractérisation - sont longues. Pour l'ingénieur ou le chercheur, relier la microstructure et les propriétés physiques macroscopiques des matériaux le plus en amont, permet de réduire la durée et le coût de ces études. Nous nous intéressons aux propriétés diélectriques d'un composite particulier, formé d'une matrice époxy contenant des inclusions d'agrégats de noir de carbone. Nous détaillons le processus global, de la réalisation du composite à sa modélisation. Des échantillons de composite sont réalisés en faisant varier des paramètres de préparation. Des mesures diélectriques, électriques et d'autres mesures physiques situent le niveau des propriétés macroscopiques des échantillons. L'observation du composite par microscopie électronique à transmission à plusieurs grandissement permet d'appréhender sa morphologie. Les micrographies sont traitées par analyse d'images pour caractériser la géométrie du composite en quelques grandeurs. Les lois statistiques de changement d'échelle permettent, à partir de données sur la microstructure, d'obtenir un encadrement de la permittivité de composites. Les lois statistiques de changement d'échelle sont une méthode de modélisation récente, elles permettent en particulier :

Cette thèse est consacrée à l'étude des mécanismes de refroidissement du fullerène C60 après une excitation laser nanoseconde. Dans ce régime temporel, l'énergie absorbée est redistribuée sur tous les degrés de liberté de l'agrégat provoquant une cascade de fragmentations par émission de molécules C2. Un processus d'ionisation retardée est mis en évidence pour chaque taille d'agrégat produit. Les cations ainsi formés peuvent à leur tour se fragmenter par émission de C2. Notre dispositif expérimental, constitué d'un spectromètre à imagerie résolu en temps type velocity-map combiné à un spectromètre de masse à temps de vol type Wiley-McLaren, permet d'extraire les spectres en énergie cinétique des photoélectrons ou des photoions issus de la chaîne de désexcitation de C60. Ces spectres sont comparés à un modèle statistique basé sur le formalisme de Weisskopf. Un algorithme Monte Carlo a été développé afin de reconstituer le spectre de temps de vol de C60. Les informations extraites des simulations, tels les énergies internes et les rapports de branchement à chaque étape du déclin, complètes idéalement l'analyse des processus mis en jeu.