The search for alternate and renewable energy resources as well as the efficient use of energy and development of such systems that can help to save the energy consumption is needed because of exponential growth in world population, limited conventional fossil fuel resources, and to meet the increasing demand of clean and environment friendly substitutes. Hydrogen being the simplest, most abundant and clean energy carrier has the potential to fulfill some of these requirements provided the development of efficient, safe and durable systems for its production, storage and usage. Chemical hydrides, complex hydrides and nanomaterials, where the hydrogen is either chemically bonded to the metal ions or physiosorbed, are the possible means to overcome the difficulties associated with the storage and usage of hydrogen at favorable conditions. We have studied the structural and electronic properties of some of the chemical hydrides, complex hydrides and functionalized nanostructures to understand the kinetics and thermodynamics of these materials. Another active field relating to energy storage is rechargeable batteries. We have studied the detailed crystal and electronic structures of Li and Mg based cathode materials and calculated the average intercalation voltage of the corresponding batteries. We found that transition metal doped MgH2 nanocluster is a material to use efficiently not only in batteries but also in fuel-cell technologies. MAX phases can be used to develop the systems to save the energy consumption. We have chosen one compound from each of all known types of MAX phases and analyzed the structural, electronic, and mechanical properties using the hybrid functional. We suggest that the proper treatment of correlation effects is important for the correct description of Cr2AlC and Cr2GeC by the good choice of Hubbard 'U' in DFT+U method. Hydrogen is fascinating to physicists due to predicted possibility of metallization and high temperature superconductivity. On the basis of our ab initio molecular dynamics studies, we propose that the recent claim of conductive hydrogen by experiments might be explained by the diffusion of hydrogen at relevant pressure and temperature. In this thesis we also present the studies of phase change memory materials, oxides and amorphization of oxide materials, spintronics and sulfide materials.

Nowadays, the systems that allow simultaneous employment of both focused electron and ion beams are very important tools in the field of micro- and nanotechnology. In addition to imaging and analysis, they can be used for lithography, which is applied for preparation of structures with required shapes and dimensions at the micrometer and nanometer scale. The first part of the thesis deals with one lithographic method – focused electron or ion beam induced deposition, for which a suitable adjustment of exposition parameters is searched and quality of deposited metal structures in terms of shape and elemental composition studied. Subsequently, attention is paid also to other types of lithographic methods (electron or ion beam lithography), which are applied in preparation of etching masks for the subsequent selective wet etching of silicon single crystals. In addition to optimization of mentioned techniques, the application of etched silicon surfaces for, e.g., selective growth of metal structures has been studied. The last part of the thesis is focused on functional properties of selected 2D or 3D structures.

Le graphène est une simple couche de nid d'abeille motifs atomes de carbone. Il a suscité beaucoup d'intérêt dans la dernière décennie en raison de ses excellentes propriétés électroniques, optiques et mécaniques, etc., et montre larges perspectives d'applications dans le futur. Parfois, les propriétés du graphène doivent être modulées pour s’adapter à des applications spécifiques. Par exemple, le contrôle du niveau de dopage fournit un bon moyen de moduler les propriétés électriques et magnétiques de graphène, qui est important pour la conception de dispositifs de mémoire et de logique à base de graphène. En outre, la possibilité de régler la conductance électrique peut être utilisée pour fabriquer le transistor de graphène, et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) Procédé montre la possibilité d'effectuer la préparation de graphène intégrées dans les processus de fabrication de semi-conducteur. L'injection de spin et l'irradiation sont méthodes efficaces et pratiques pour adapter les propriétés de transport du graphène. Mais en raison du processus de fabrication complexe, il est difficile de préparer le dispositif de transport de spin graphène succès. La lithographie et décoller les processus qui impliquent utilisant résine photosensible va dégénérer les propriétés de transport du graphène. En outre, la sensibilité du graphène aux molécules H2O et O2 lorsqu'il est exposé à l’air ambiant entraînera faible signal de rotation et le bruit de fond. L'irradiation fournit une méthode propre à moduler les propriétés électriques de graphène qui n’impliquent pas de traitement chimique. En ions ou irradiation d'électrons, la structure de bande électronique de graphène peut être réglé et la structure en treillis est modulé aussi bien. En outre, les impuretés chargées et dopage résultant de l'irradiation peuvent modifier les propriétés électroniques du graphène comme la diffusion électron-phonon, libre parcours moyen et la densité de support. Comme indiqué, le graphène oxydation peut être induite par exposition à un plasma d'oxygène, et le N- dopage de graphène par recuit thermique dans de l'ammoniac a été démontré. En outre, la souche dans le graphène peut également être adaptée par irradiation, qui contribue également à la modification des propriétés de transport de graphène. En conclusion, l'irradiation fournit une méthode physique efficace pour moduler les propriétés structurelles et de transport de graphène, qui peuvent être appliqués dans la mémoire à base de graphène et des dispositifs logiques, transistor, et des circuits intégrés. Dans cette thèse, l'irradiation d'ions hélium a été réalisée sur le graphène cultivé sur substrat SiO2 par la méthode CVD, et les propriétés structurelles et de transport ont été étudiés. Le dopage de transfert de charge dans le graphène induite par les résultats d'irradiation dans une modification de ces propriétés, qui suggère une méthode pratique pour les adapter. En outre, l'irradiation par faisceau d'électrons a été effectuée sur graphène cultivé sur substrat de SiC. Les amorphisations progressives, contraintes et d'électrons dopage locales contribuent à la modification des propriétés structurelles et de transport dans le graphène qui peuvent être observés. / Graphene is a single layer of honeycomb patterned carbon atoms. It has attracted much of interest in the past decade due to its excellent electronic, optical, and mechanical properties, etc., and shows broad application prospects in the future. Sometimes the properties of graphene need to be modulated to adapt for specific applications. For example, control of doping level provides a good way to modulate the electrical and magnetic properties of graphene, which is important to the design of graphene-based memory and logic devices. Also, the ability to tune the electrical conductance can be used to fabricate graphene transistor, and the chemical vapor deposition (CVD) method shows the possibility to make the preparation of graphene integrated into semiconductor manufacture processes. Moreover, the sensitivity of graphene to the H2O and O2 molecules when exposed to the air ambient will result in weak spin signal and noise background. Irradiation provides a clean method to modulate the electrical properties of graphene which does not involve chemical treatment. By ion or electron irradiation, the electronic band structure of graphene can be tuned and the lattice structure will be modulated as well. Moreover, the charged impurities and doping arising from irradiation can change the electronic properties of graphene such as electron-phonon scattering, mean free path and carrier density. As reported, graphene oxidization can be induced by exposure to oxygen plasma, and N-Doping of Graphene through thermal annealing in ammonia has been demonstrated. Furthermore, the strain in graphene can also be tailored by irradiation, which also contributes to the modification of transport properties of graphene. In conclusion, irradiation provides an efficient physical method to modulate the structural and transport properties of graphene, which can be applied in the graphene-based memory and logic devices, transistor, and integrated circuits (ICs). In this thesis, Helium ion irradiation was performed on graphene grown on SiO2 substrate by CVD method, and the structural and transport properties were investigated. The charge transfer doping in graphene induced by irradiation results in a modification of these properties, which suggests a convenient method to tailor them. Moreover, electron beam irradiation was performed on graphene grown on SiC substrate. The local progressive amorphization, strain and electron doping contribute to the modification of structural and transport properties in graphene which can be observed.

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux magnétocaloriques à basse de terres rares pour la réfrigération magnétique. Le premier chapitre constitue une introduction aux notions d’effet magnétocalorique et de réfrigération magnétique et dresse un état de l’art des matériaux magnétocaloriques existants. Dans le but d’obtenir des matériaux à forte capacité de réfrigération (RC) et d’identifier des stratégies d’amélioration de ce critère de performance, deux voies de recherche ont été explorées : l’élargissement de la transition magnétique et l’effet de l’élément de transition M et de l’élément p (X) dans les verres métalliques Gd60M30X10 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu et X = Al, Ga, In) d’une part, et la synthèse de nouveaux siliciures ternaires dans les systèmes R-M-Si (R = Nd, Gd, Tb et M = Co, Ni) à fort potentiel magnétocalorique, d’autre part.Le second chapitre de cette thèse présente les propriétés magnétiques des rubans amorphes à base de gadolinium synthétisés par la technique de melt-spinning, dans lesquels le désordre structural induit un très fort élargissement de la transition magnétique (vis-à-vis de celle du gadolinium par exemple). Il montre dans un premier temps, la faible influence de l’élément p (X) sur les propriétés magnétiques des rubans Gd60Mn30X10 (X = Al, Ga, In). Une seconde partie présente la très forte influence de l’élément de transition M, tant sur la nature de la transition magnétique que sur les propriétés magnétocaloriques des verres métalliques Gd60M30In10 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu), avec en particulier une température de Curie variant entre 86 (M = Ni) et 220 K (M = Fe) et l’existence d’un phénomène de type cluster-glass en dessous de 35 K lorsque M = Mn. Le chapitre trois de cette thèse se décline en trois parties. La première décrit les conditions de synthèse parfois délicates, notamment dans le choix des températures de recuit, des siliciures R5MSi2, Gd5Si3 et du composé à domaine d’existence Gd3Co2,5 ± xSi1,5 ± y. L’utilisation de la méthode Rietveld pour l’affinement des diffractogrammes de rayons X sur poudre et monocristaux et neutrons a permis de montrer que les composés R5MSi2 adoptent une structure de type Cr5B3 avec la particularité de l’occupation mixte du site 8h par Co et Si à 50 %/50 % et que Gd3Co2,5 ± xSi1,5 ± y adopte une structure de type Er3Ge4 avec des sites mixtes Co/Si en positions 4a et 4c. La seconde partie présente les propriétés magnétiques et magnétocaloriques du siliciure Gd5CoSi2. Ce composé subit une transition ferromagnétique à la température de Curie de 169 K qui s’accompagne d’une variation d’entropie magnétique calculée par l’application de la relation de Maxwell, de -4,7 et 8,7 J kg-1 K-1 pour des variations de champ magnétique respectives de 2 et 5 T. Le troisième volet de ce chapitre décrit les propriétés magnétiques de Nd5CoSi2 et Nd5NiSi2 qui présentent une transition ferromagnétique respectivement à 55 et 44 K. Il décrit également l’affinement de la structure ferromagnétique cantée de Nd5CoSi2 obtenue par des mesures de diffraction neutronique.Il ressort de ces travaux que l’évaluation des matériaux magnétocaloriques par le seul critère de capacité de réfrigération ne mène pas vers les matériaux les plus adaptés à l’application. Il faudrait cibler plus spécifiquement, pour chaque type de cycle de réfrigération envisagé, des critères pragmatiques tels qu’une fenêtre de température d’utilisation autour de la température de Curie ou une valeur de chaleur spécifique optimale afin de mieux guider la recherche de nouveaux matériaux magnétocaloriques. / The studies presented in this manuscript deal with the synthesis and characterization of new rare-earth based magnetocaloric materials for magnetic refrigeration applications. The first chapter is an introduction to the concepts of magnetocaloric effect and magnetic refrigeration and establishes a review of the magnetocaloric materials existing today. Two research axes were explored in order to obtain materials with a high refrigeration capacity (RC) and to identify strategies for improving this performance criterion: the enlargement of magnetic transition and the effect of transition element M and p-element X in the metallic glasses Gd60M30X10 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu et X = Al, Ga, In) on one hand, and the synthesis of new ternary silicides in the RE-M-Si systems (RE = Nd, Gd, Tb et M = Co, Ni) with high magnetocaloric potential on the other hand. The second chapter of this thesis presents the magnetic properties of Gd-based amorphous ribbons synthesized by the melt-spinning technique, in which the structural disorder induces a very strong enlargement of the magnetic transition (compared to that of pure Gd for instance). In a first part, it shows the weak influence of the p element (X) on the magnetic properties of Gd60Mn30X10 (X = Al, Ga, In) ribbons. A second part presents the very strong influence of the transition element M, either on the nature of the magnetic transition and on the magnetocaloric properties of Gd60M30In10 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu) metallic glasses with, in particular, a Curie temperature varying between 86 (M = Ni) and 220 K (M = Fe) and the occurrence of a cluster-glass behavior below 35 K when M = Mn. The third chapter of this thesis is composed of three parts. The first one describes the synthesis conditions of RE5MSi2 (RE = Nd, Gd, Tb), Gd5Si3 and of the compound with existence domain Gd3Co2.5 ± xSi1.5 ± y. These syntheses are sometimes delicate, particularly in the choice of annealing temperatures. The use of the Rietveld method to refine the X-ray and neutron powder diffraction patterns allowed showing that RE5MSi2 compounds adopt a Cr5B3 type structure, with a mixed occupation of 8h site by Co and Si at 50 %/50 % and that Gd3Co2.5 ± xSi1.5 ± y adopts an Er4Ge4 type structure with mixed Co/Si occupation in 4a et 4c positions. The second part presents the magnetic and magnetocaloric properties of the Gd5CoSi2 silicide. This compound exhibits a ferromagnetic transition at the Curie temperature TC = 169 K that is accompanied by a magnetic entropy change of -4.7 and 8.7 kg-1 K-1 at 2 and 5 T, respectively, as calculated by the application of Maxwell’s relationship. The third part is this chapter describes the magnetic properties of Nd5CoSi2 and Nd5NiSi2 which order ferromagnetically at 55 and 44 K, respectively. It also presents the refinement of the canted ferromagnetic structure on Nd5CoSi2, obtained by neutron diffraction measurements.These study show that evaluating the magnetocaloric materials by only considering the criterion of refrigeration capacity does not lead to the elaboration of the best materials for the applications. It could be more efficient to target more pragmatic criteria, for each considered refrigeration cycle, such as a temperature window of use around the Curie temperature or an optimal specific heat value in order to lead the research of new magnetocaloric materials at best.

The thesis deals with the influence of free various technological grinding processes of pure clinker minerals. The goals is to synthetically prepare pure clinker minerals and monitor the effect of the duration of the grinding process and monitor the impact of grinding technology on their crystallinity. A laser granulometry and XRD analysis are used for evaluation.