Le rayonnement synchrotron et la microscopie à sondes locales (SPM) sont deux des techniques les plus utilisées pour étudier les propriétés physiques et chimiques de nanostructures. Le couplage de ces deux techniques est prometteur pour les nanosciences en leur ouvrant de nouveaux horizons. D'un point de vue expérimental ce couplage est un défi exaltant et a déjà prouvé ses capacités par la combinaison de la Microscopie à Force Atomique (AFM) et de la diffraction de Rayons-X pendant le projet X-tip, qui, grâce au développement d'un microcope à force atomique embarqué sur une lugne de lumière synchrotron a permis l'étude du module de Young de microplots de germanium en procédant simulatanément à son indentation et à son analyse par diffraction. Cependant, cette configuration ne permet pas de manipuler en trois dimensions (3D). Le but ultime, pour notre nano-manipulateur est de manipuler en 3D avec un contrôle permanent des nano-forces exercées sur l'objet sous un faisceau d'analyse (rayon X, LASER). Le premier chapitre s'attarde donc sur les senseurs qui devront rendre compte des interactions à l'échelle nanométrique et permettre la saisie d'un objet individuel. Après un tour d'horizon de différentes techniques de micro/nanomanipulation disponibles à ce jour (micro-préhenseurs mécaniques basés sur la technologie MEMS, pinces optiques, préhenseurs basés sur la microscopie à force atomique conventionnelle) et devant les contraintes qu'implique le couplage d'un tel système avec les expériences synchrotron, le choix des oscillateurs à quartz (Diapason et LER) en tant que senseurs est expliqué. La microscopie à force atomique en générale et le fonctionnement particulier de ces oscillateurs sont décrits. Dans le second chapitre le développement instrumental de notre station de nanomanipulation est détaillé et notamment : Comment mettre en place ce type de résonateurs et la pointe associée pour réaliser à la fois l'imagerie AFM de l'échantillon et la préhension de l'objet? Comment contrôler le positionnement grossier et fin des trois éléments d'une nanomanipulation? Enfin le système haptique ERGOS et son couplage avec notre montage est décrit. Dans le dernier chapitre, deux types d'expériences sont présentés : le premier ne fait intervenir que notre montage piloté classiquement par ordinateur et montre ses capacités à réaliser la préhension d'objets micrométriques de manière contrôlée. Le second fait intervenir le couplage entre notre montage et le système haptique pour réaliser l'exploration rapide d'un échantillon ainsi que la localisation et la reconnaissance de forme d'objet sub-micronique. Ces expériences rendent compte des capacités de ce couplage à transmettre directement à un utilisateur les interactions à l'échelle nanométrique ainsi que la possibilité par l'intermédiaire de cette interface de réaliser des tâches complexes : manipulation sur une surface, reconnaissance de forme, et suivi de contour. / The synchrotron radiation and scanning probe microscopy (SPM) are the (two) most used techniques to study the physical and chimical properties of nanostructures. Coupling these two techniques is promising for the nanosciences by opening news horizons. From an experimental point of view, this coupling is an exciting challenge and has already proven its skills with the combination of Atomic Force Microscopy (AFM) and X-Ray diffraction during the X-tip project, which, thanks to the development of an atomic force microscope embended on a synchrotron beamline, has permitted to study Young's modulus of germanium microplots proceeding simultaneously with its indentation and its diffraction analysis. However, this configuration doesn't permit a three dimension (3D) manipulation. The ultimate goal, for our nano-manipulator, is to manipulate in 3D with a permanent control of nano-forces exerted on the object undcer a scanning beam (X-Ray, laser). The first chapter therefore focuses on the sensors which measure the interactions at a nanometer scale and permit the seizure of an individual object. After an overview of the differents techniques of micro/nano-manipulation available today ( mechanical micro-grippers based on MEMS technology, optic tweezers, grippers based on conventionnal atomic force microscopy), and in front of the constraints implied by the coupling of this kind of system with the synchrotron experiments, the choice of quartz oscillators (Tunning fork and LER) as sensors is explained. The atomic force microscopy in general and the particular behavior of these oscillators is described. In the second chapter, the instrumental development of our nano-manipulation station is detailed and especially : How to implement this type of resonators and the associated tip to achieve both AFM imaging of the sample and gripping of the object ? How to control the coarse and fine positionning of the three elements of a nano-manipulation ? Finally, the haptic system ERGOS et its coupling with our assembly is describe. In the last chapter, two types of experiments are presented : the first involves only our assembly piloted classically with a computer and show its skills in the achievement of gripping of micrometric objects in a controled way. The second involves the coupling between our assembly and the haptic system to achieve the fast exploration of a sample and also the location and shape recognition of sub-micronic objects. These experiments reflect the capacities of this coupling to directly transmit to an user the interactions at a nanometer scale and also the possibility using this interface to achieve complex tasks : manipulation on a surface, shape recognition and contour tracking.

L’intérêt de ces travaux est de proposer un nouveau composite BaAl2Si2O8 (BAS) renforcé par des fibres d’alumine ayant des propriétés physiques similaires tout en étant plus réfractaire que les composites SiO2 / SiO2. La forme cristalline hexagonale du BAS est la forme stable à haute température. Cependant, elle est métastable en dessous de 1590 °C et il est donc nécessaire de la stabiliser pour éviter les transformations cristallines. La stabilisation de la forme hexagonale par substitution atomique, notamment par du rubidium à hauteur de 5 % atomique a été la solution retenue. Concernant le composite à matrice BAS, le choix de fibres d’alumine est motivée par la compatibilité physico-chimique BAS / alumine. Diverses voies d’élaboration de la matrice BAS et du composite BAS / alumine ont été explorées. La voie d’élaboration par « reactive spark plasma sintering » (R-SPS) apporte un gain important en termes de réduction du temps d’élaboration et de rendement. Ce gain de temps évite donc l’exposition du BAS aux hautes températures et le risque de transformation de la phase hexagonale en monoclinique. Cependant la mise en forme par SPS de matériaux oxydes, dont le BAS, est confrontée à l’existence de gradients thermiques importants au sein de l’échantillon. C’est pourquoi, la mise en oeuvre d’un moule chauffant est développée comme une alternative au SPS. Ce système, en cours d’évaluation, devrait permettre l’utilisation de cycles thermiques équivalents à ceux du SPS, tout en limitant fortement les gradients thermiques. / The main purpose of the present work is to propose a new BaAl2Si2O8 (BAS) composite reinforced with alumina fibers exhibiting similar physical properties but a higher refractoriness than SiO2 / SiO2 composites. The hexagonal crystal form of BAS is the stable one at high temperatures. However, it is metastable below 1590 °C and it is therefore necessary to stabilize it in order to prevent crystalline transformations. The stabilization of the hexagonal form by atomic substitution, including rubidium at 5 atomic % has been chosen. Regarding the matrix BAS composite, the alumina fibers selection has been justified by their low physical and chemical reactivity with this material. Several elaboration methods of the BAS matrix and of the BAS / alumina composite have been investigated. The development by "reactive spark plasma sintering" (R-SPS) brings an important benefit in terms of reduced elaboration time and yield. This saving time thus limits the BAS exposure to high temperatures and the risk of transformation into monoclinic. Nevertheless, the SPS shaping of oxide materials, including the BAS, is confronted with the presence of important thermal gradient within the sample. This is why shaping in a heating mold is currently in progress, as an alternative to the SPS. This system should allow the use the same thermal cycles as for SPS, but with lower thermal gradient.

Les microscopes en champ proche sont très largement utilisés pour caractériser des propriétés physiques à l’échelle du nanomètre. Afin d’assurer la cohérence et l’exactitude des mesures dimensionnelles qu’ils retournent, ces microscopes ont besoin d’être étalonnés périodiquement. Le raccordement à la définition du mètre SI est assuré par le biais d’étalons de transfert dont les caractéristiques dimensionnelles sont étalonnées à l’aide d’un Microscope à Force Atomique métrologique (mAFM).Les travaux de thèse portent sur la contribution à la mise en place du Microscope à Force Atomique métrologique du LNE dans le but de caractériser et réduire l’incertitude de mesure. Une tête AFM passive thermiquement et spécifiquement conçue pour des applications de nanométrologie dimensionnelle a été développée et intégrée au mAFM. Elle comporte un système original pour mesurer les déflexions du levier nécessaire à la détection des forces s’exerçant à l’extrémité de la pointe. Il utilise une évolution de la méthode du levier optique qui permet de déporter les sources de chaleurs à l’extérieur de l’instrument. Pour cela, un nouveau capteur a été développé. Il est basé sur l’utilisation d’un bundle composé de 40 000 microfibres optiques structurées en quatre quadrants. Il remplace avantageusement une photodiode quatre quadrants et permet de transporter le signal lumineux jusqu’à des photodiodes placées à l’extérieur de l’instrument. Ce système a été modélisé, caractérisé et validé expérimentalement. La tête AFM ainsi développée est passive thermiquement. Sa conception repose sur la dissociation complète de la chaine métrologique, constituée en Zerodur, afin de lui conférer une excellente stabilité thermique et mécanique. Pour les mêmes raisons, le châssis de la tête qui supporte l’ensemble des composants et notamment le système de mesure des déflexions du levier est entièrement conçu en Invar. Cette tête repose sur une structure motorisée constituée de trois moteurs à reptation permettant l’approche de pointe mais également le réglage des interféromètres. Après intégration de la tête dans le mAFM, l’ensemble de l’instrument a été caractérisé afin d’établir son bilan d’incertitude. Plusieurs composantes ont ainsi été évaluées expérimentalement comme la non-linéarité et la stabilité de la mesure de position par interférométrie, les rotations parasites du scanner, les erreurs d’Abbe, les défauts de rugosité et de planéité des miroirs ainsi que les erreurs de bras mort. L’impact de chaque composante a été quantifié et listé dans le bilan d’incertitude. Ces travaux ont permis d’avoir une première estimation de l’incertitude de mesure du mAFM. / Scanning probe microscopes are very well used for characterization at the manometer scale. To ensure the measurement coherency and the accuracy of the results, those microscopes need to be periodically calibrated. It’s done thanks to reference standards whose dimensional characteristics are measured by a metrological atomic force microscope (mAFM) for example.The aim of this thesis work is the improvement of the metrological AFM of the LNE in order to reduce the measurement uncertainty. To reach this goal, a thermally passive AFM head has been developed and integrated on the instrument. It contains an original system to measure the cantilever deflexion and thus detect the force acting between the sample and the tip. This system is based on the optical beam deflection method but allow deporting the heat sources outside the instrument. To reach this goal, a new specific sensor has been developed. It is based on a four quadrant optic fibre bundle that contains 40 000 micro-fibre and which is ideal to replace the existing four quadrant photodiode and its conditioning electronic circuit with the bundle and its conditioning electronic circuit placed outside the instrument. This sensor has been modelled, and experimentally validated.The Developed AFM head which integrates the deflection measurement system is then thermally passive. Its design is based on the complete dissociation of the metrological loop and the structural loop. The metrological loop is made of Zerodur® in other to acquire an excellent mechanical and thermal stability and thus reduce the thermal dilatation. For the same reason, the AFM head support frame is fully made of Invar. The AFM head is placed on a motorized frame based on three piezo-leg motors (tripod) to make the tip/sample approach but also to set the interferometer signal quality. The interferometer signal is improved by combining the linear displacements of the three motors to generate small rotations. This allows setting the parallelism of the mirrors linked to the head with those linked to the translation stage.Once the AFM head integrated on the instrument, the assembly is characterized in order to establish the uncertainty budget. Different uncertainty components have been experimentally evaluated as for example: the interferometer non linearity, the drift of the XYZ position, the parasitic rotations of the translation stage, the Abbe error, the roughness and the flatness of the mirrors and the dead path errors. The impact of the each component has been quantified and listed in the uncertainty budget. This allowed getting a first estimation of the combined uncertainty of the instrument.

La caractérisation des complexes de van der Waals est déterminante pour la compréhension et la modélisation des atmosphères planétaires et du milieu interstellaire. Cependant, ces agrégats moléculaires sont assez peu étudiés, particulièrement dans l’infrarouge proche. Cette thèse a pour but d’enrichir les connaissances sur les complexes d’eau et d’ammoniac dans cette région spectrale. Pour cela, nous avons utilisé un montage expérimental appellé FANTASIO+, couplant une expansion su- personique à un spectromètre à temps de déclin (CRDS). Plusieurs complexes de van der Waals ont pu être observés et analysés, à savoir 14/15NH3−Ar/Kr, (H2O)2, H2O−Ar/Kr et HDO−N2O.Ces complexes peuvent être décrits par deux régimes selon la hauteur de la barrière du potentiel intermoléculaire. Les complexes caractérisés par un potentiel inter- moléculaire élevé peuvent être traités par le régime semi-rigide, à savoir comme une molécule à part entière avec des constantes rotationelles bien définies [(H2O)2 et HDO−N2O]. Dans le régime du rotateur libre, au contraire, le monomère du complexe est soumis à une faible barrière de potentiel, et donc sa rotation est pra- tiquement libre (tous les complexes 14/15NH3− et H2O−gaz rare).Le déplacement et la séparation des niveaux d’énergie robivrationels du monomère dépend de l’effet de l’anisotropie du potentiel intermoléculaire par rapport au lien intermoléculaire. Les transitions entre ces sous-états sont appelées des sous-bandes.Les spectres observés dans ce travail de thèse correspondent à l’excitation vibra- tionnelle de 14/15NH3, H2O ou HDO. L’analyse rotationelle des sous-bandes a pu être réalisée pour toutes les espèces (y compris les 4 isotopes principaux du krypton dans H2O−Kr), excepté pour 15NH3−Kr car la sous-bande observée était à peine visible. Nous avons pu caractériser la structure rotationnelle de 1 (15NH3−Ar) à 14 (H2O−Ar) sous-états vibrationnellement excités et de l’état fondamental pour toutes les espèces sauf 14NH3−Kr, 15NH3−Ar/Kr et (H2O)2. Notre travail sur ce dernier, basé sur des calculs théoriques et sur une étude similaire en matrice de néon, est la première analyse rotationelle de ce complexe dans cette région spectrale. Les analyses des spectres de H2O−Ar et HDO−N2O s’appuient sur des calculs ab initio. Pour HDO−N2O, nous avons pu déterminer que le lien OD se trouve plus proche de N2O que le lien OH. Les spectres de 14/15NH3−Ar/Kr présentent des sous-bandes appartenant à des complexes de taille plus importante. Un séjour à l’Université d’Alberta a été organisé afin d’identifier la nature de ces complexes.Quand l’analyse rotationelle a pu être réalisée, nous avons déterminé les temps de vie de prédissociation des sous-états excités (sauf pour HDO−N2O car le signal-sur- bruit était trop faible). Ils sont de 20 ps pour (H2O)2 à 4 ns pour H2O−Ar. Nous avons observé que les temps de vie déterminés étaient inversement proportionnels à l’énergie de dissociation des complexes. Le déplacement observé entre l’origine des sous-bandes par rapport à la bande correspondante du monomère suit égale- ment la même tendance que l’énergie de dissociation du complexe. Nous avons pu déterminer les températures rotationnelles pour toutes les espèces dans le jet super- sonique. Celles-ci sont différentes uniquement dans le cas de 14NH3−Ar.Des spectres des monomères 14NH3 et 15NH3 ont également été enregistrés, notamment en utilisant un spectromètre à transformée de Fourier, enrichissant ainsi les données spectroscopiques de ces molécules dans l’infrarouge proche. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse porte sur l'amélioration des performances du CAG, le gravimètre atomique développé au SYRTE. Cet instrument exploite des techniques d'interférométrie atomique pour mesurer l'accélération locale de la pesanteur g subit par un nuage d'atomes froids de 87Rb en chute libre. Les perfectionnements comme l'asservissement des puissances des faisceaux Raman et l'optimisation des paramètres tels que ceux pilotant la détection sont présentés dans ce manuscrit. La position initiale du nuage, sa vitesse moyenne, son expansion balistique dans les faisceaux Raman ainsi que leur évolution, sont autant de paramètres altérant les performances du CAG. Les inhomogénéités de couplage qui en résultent, modifient la symétrie de la fonction de sensibilité de l'interféromètre et le rendent sensible aux désaccords Raman constants. De plus, les désaccords Raman de type Doppler ne peuvent voir leur effet annulé par la technique de mesure mise en place pour rejeter les effets systématiques. L'asymétrie de l'interféromètre a été mesurée et une méthode pour la compenser est proposée. Enfin, plusieurs comparaisons avec différents gravimètres sont présentées. La comparaison internationale CCM.G-K2 a permis de confirmer l'exactitude du CAG, révélant notamment un écart type d'Allan de 5,7 10-9/Hz1/2. Finalement, une session de mesure d'un mois en vue commune avec un gravimètre supraconducteur iGrav est étudiée. Elle a permis la détermination du facteur d'échelle de l'iGrav à 0,1% dès un jour de mesure et 0,02% en moins d'un mois. L'écart type d'Allan sur le résidu du signal entre les gravimètres atteint alors 6 10-11g après 12h de mesure. / This thesis aims at pushing the performances of the atom gravimeter CAG developed at SYRTE. This instrument uses atom interferometry to measure the local gravity acceleration of a free falling 87Rb cold atomic cloud. The improvements of the Raman power control and parameters such as those driving the detection are presented in this thesis. The initial position of the cloud, its mean velocity, its ballistic expansion into the Raman beams and thus their evolution, are important parameters which affect the performances of the CAG. The resulting coupling inhomogeneities modify the symmetry of the sensitivity function of the interferometer and make it sensitive to constant Raman detuning. Moreover, the Raman detuning in a Doppler way cannot be canceled by our rejection technic of systematic effects. The asymmetry of the sensitivity function has been measured and a method is demonstrated to cancel it. Several comparisons between the CAG and different gravimeter types have been performed and their results are developed. The international comparison of absolute gravimeters CCM.G-K2 confirms the CAG accuracy budget. It reveals an Allan standard deviation of 5.710-9g/Hz1/2. In the end, a one month common view measurement with a superconducting gravimeter iGrav is studied. The determination of the iGrav scale factor at the level of 0.1% in a single day and 0.02% in less than a month is obtained with this long measurement. The Allan standard deviation of the gravity residual signal is 610-11g in 12h measurement time.

Les nanofils nitrures, de par leurs propriétés mécaniques et piézoélectriques exceptionnelles, sont des nanomatériaux très prometteurs pour la réalisation de dispositifs piézogénérateurs ultra-compacts et de haute efficacité. Les nanofils de GaN étudiés dans cette thèse sont synthétisés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma. Grâce à des caractérisations employant un AFM résiscope spécialement adapté, nous démontrons le fort potentiel des nanofils de GaN dopés de type-n et dopés de type-p pour convertir une énergie mécanique en énergie électrique. Nous confirmons la corrélation entre la polarité des nanofils, leurs dopages et l'établissement du potentiel piézoélectrique dans les nanostructures. Nous étudions également la capacité de récupération de l'énergie générée par les nanofils, qui se fait au travers d'une diode Schottky de dimension nanométrique. De ce nanocontact, résulte une conduction à l'interface métal/semi-conducteur accrue et donc une meilleure collection de l'énergie piézogénérée par les nanofils de GaN. Enfin, en nous basant sur les mécanismes de piézoconversion mis en évidence, nous fabriquons un piézogénérateur intégrant un réseau de nanofils verticaux de GaN et fonctionnant sous compression. Le prototype délivre une densité de puissance de l'ordre de 12,7 mW/cm3, ce qui le place à l'état de l'art des piézogénérateurs à base de nanofils nitrures. / Nitride nanowires are a promising material for the fabrication of efficient and compact piezogenerators. Their tremendous piezoelectric and mechanical properties give them the ability to convert efficiently mechanical energy into electrical energy. The piezoelectric material studied in this thesis is GaN, synthetised as nanowires by PA-MBE. Thanks to an adapted AFM résiscope, we show the great potential of nitride nanowires for piezogeneration and the correlation between the polarity of the nanostructure, its deformation and the establishment of the piezopotential. We also study the harvesting efficiency of the nanostructures’ polarization, through a nanometric Schottky contact. Due to scale effects, this Schottky nanocontact shows a reduced barrier height and resistance, which lead to an enhanced conduction and thus to a better harvesting of the piezoelectric energy generated by the GaN nanowires. Based on the understanding of those mechanisms, we have built a piezogenerator integrating a vertical array of p-type GaN nanowires, embedded in HSQ resist and with their top connected by a Pt metallic electrode, leading to a Schottky contact. This prototype delivered a power density of about 12,7 mW.cm-3, which is the state of the art for GaN nanowires based piezogenerator.

Récemment, un grand nombre d'objets de taille nanométrique, incluant les nanoparticules, les films minces, les dispositifs nanostructurés, présentant des phénomènes de commutation impliquant différents états de spin, ont été développé pour des applications dans le domaine des capteurs et des systèmes nanophotoniques, nanoélectroniques et nanomécaniques. En effet, Ces nanomatériaux à conversion de spin présentent une dépendance en taille des propriétés physico-chimiques très intéressantes. Même si l'origine du phénomène de conversion de spin est purement moléculaire, le comportement macroscopique de ces systèmes à l'état solide est fortement influencé par les interactions intermoléculaires élastiques. On s'attend donc à ce que les propriétés coopératives et, de manière plus générale, le diagramme de phase, soient très dépendantes de la taille du système. Au-delà de la stabilité des phases, les cinétiques de transformation dépendent également de la taille du système. Dans ce contexte, des interactions élastiques fortes conduisent dans de nombreux cas à des transitions de type premier ordre accompagnées par une séparation de phase hétérogène. Les détails du mécanisme de la dynamique spatio-temporelle associée à la transition de spin restent encore inexplorés. L'ensemble de ces phénomènes observés dans les matériaux à transition de spin demande des méthodes de caractérisation possédant une capacité d'imagerie d'une grande résolution spatiale afin d'aller au-delà des techniques de microscopie optique en champ lointain habituellement employées. Par conséquence, l'objectif global de cette thèse de doctorat est de développer de nouvelles approches qui permettent de détecter le phénomène de transition de spin avec une résolution spatiale nanométrique. Pour observer la transition de spin thermique dans les films minces, nous avons utilisé pour la première fois la microscopie optique en champ proche (NSOM en Anglais) ainsi que la microscopie à force atomique (AFM en Anglais) en conjonction avec des dispositifs originaux de chauffage à l'échelle du nanomètre, conçus à partir de nanofils et fonctionnant par effet Joule. En utilisant ces techniques, le changement de l'état de spin a pu être observé avec une résolution sub-longueur d'onde au travers des changements des propriétés mécanique et optique des matériaux. Le NSOM en mode illumination, utilisé soit en luminescence ou en mode réflexion fournit un signal utile pour la détection du changement d'état de spin mais ne permet en revanche qu'une quantification limitée du phénomène en raison de l'instabilité des échantillons (photoblanchiment, ...) . D'un autre côté, les différents modes mécaniques AFM, incluant la spectroscopie à force rapide et l'analyse multifréquentielle, ont permis des mesures quantitatives et reproductibles avec une résolution nanométrique. En particulier, nous avons été capable de mesurer pour la première fois l'augmentation du module d'Young (env. 25-30%) observée lors de la transition de l'état Haut Spin vers l'état Bas Spin et nous avons utilisé cette propriété pour réaliser une imagerie quantitative de la transition de spin. Des mesures AFM ont été faites sur des monocristaux à transition de spin. Nous avons montré que les transferts thermiques entre la sonde et l'échantillon peuvent être utilisés pour manipuler la nucléation et la propagation des phases Haut et Bas Spin dans des cristaux. Par ailleurs, ces interactions sonde-échantillon rendent difficiles l'imagerie AFM de ces phénomènes. Néanmoins, les changements d'ordre topographique de la surface au cours de la transition de spin peuvent être observés et discutés en conjonction avec les résultats de spectroscopie Raman (cartographie) et microscopie optique en champ lointain. L'ensemble de ces résultats ouvre de nouvelles possibilités d'étude et de contrôle/manipulation de ces objets bistables à l'échelle du nanomètre / Recently a variety of nanoscale objects, including nanoparticles, thin films and nanometric assemblies, exhibiting molecular spin-state switching phenomena have been developed for applications in sensors, nanophotonic, nanoelectronic and nanomechanical systems. These spin crossover nanomaterials have been also reported to exhibit interesting size-dependent properties. Indeed, even if the origin of the spin crossover phenomenon is purely molecular, the macroscopic behavior of these systems in the solid state is strongly influenced by elastic interactions between the molecules. These cooperative properties and, in general, the phase diagram are expected to depend strongly on the size of the material. Beyond the phase stability, the transformation kinetics is likely to display also size dependence. Indeed, the strong elastic interactions in these materials lead, in many cases, to first-order phase transitions and phase separation phenomena. Details of the associated spatio-temporal dynamics of spin crossover systems remain largely unexplored. All these size dependent and spatially heterogeneous phenomena in spin crossover materials call for appropriate characterization methods with high spatial resolution imaging capability, but to date only far-field optical microscopy has been used to this aim. Hence, the overall objective of this PHD thesis was to develop new approaches allowing to trigger and detect the spin crossover phenomenon with nanometric spatial resolution. For the detection of the thermally induced spin crossover in thin films, we used for the first time Near-Field Scanning Optical Microscopy (NSOM) and Atomic Force Microscopy (AFM) in conjunction with an original nano-heater device, based on Joule-heated metallic nanowires. Using these techniques the spin-state change in the films was inferred with sub-wavelength resolution through the associated optical and mechanical property changes of the material. Apertured NSOM used either in luminescence or reflectivity mode provided useful signal for detecting the spin-state switching phenomena, but rather limited quantification was possible due to sample stability issues (photobleaching, etc). On the other hand, AFM mechanical modes, including fast force spectroscopy and multifrequency analysis, allowed for quantitative and well-reproducible measurements with nanometric resolution. In particular, we have measured for the first time the increase of the Young's modulus (ca. 25-30 %) when going from the high spin to the low spin state and used this property for quantitative imaging of the spin transition. AFM measurements were also performed on spin crossover single crystals. We have shown that probe-sample thermal interactions can be used to manipulate the nucleation and propagation of the high spin and low spin phases in the crystals. On the other hand, these interactions make for difficulties for the AFM imaging of these phenomena. Nevertheless changes of the surface topography during the spin transition can be observed and discussed in conjunction with far-field optical microscopy and Raman spectroscopy data. The ensemble of these results open up new possibilities for the investigation and manipulation of these bistable objects at the nanoscale.

Les deux premiers chapitres de la thèse présentent le principe d’un étalon de fréquence optique et les applications qui en découlent. Les principaux avantages métrologiques de l’horloge à réseau optique de mercure sont mis en avant, et quelques rappels théoriques d’interraction matière-rayonnement appliquée à la métrologie des fréquences sont effectués. Le montage expérimental est décrit de manière générale dans le chapitre 3, en insistant particulièrement sur les différentes sources laser utilisées. Les améliorations apportées au montage durant la thèse, font l’objet du chapitre 4. La première amélioration concerne le laser de refroidissement à 254nm. Mes travaux nous ont permis d’augmenter le temps d’interrogation des atomes, étape nécessaire pour une nouvelle mesure de stabilité de l’horloge et la caractérisation des effets systématiques. Afin d’augmenter ultérieurement la stabilité, une refonte de la cavité optique qui piège les atomes dans le réseau s’est révèlée indispensable. La nouvelle cavité permet de capturer 10 fois plus d’atomes grâce à une profondeur de piégage acrue d’un facteur 3, influant directement sur le rapport signal sur bruit. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus sont décrits dans le 5ème et dernier chapitre. La spectroscopie sur fond noir d’un échantillon de mercure polarisé en spin avec une largeur de raie record de 3.3Hz nous a permis de mesurer une stabilité de 1.2x10 -15 à une seconde, soit presque un facteur 5 mieux par rapport à notre précédente mesure. Une caractérisation de plusieurs effets systématiques sur la transitions d’horloge (shift colisionnel, effet zeeman ou encore effet de la lumière de piégage) a été menée au niveau de 10-16. / The first two chapters of thesis describe the basics of optical standards and its applications. Highlight advantages of mercury as a frequency reference in optical lattice clock and give theoretical background about atom-light interaction, origins of systematic shifts and their influence on stability of a clock. The third chapter describes the experimental setup. It includes the schemes and operation of the main laser systems and their characteristics, the vacuum chamber and magneto-optical trapping of atoms. The fourth chapter is about the setup improvements that I made during the thesis. It describes the new doubling stage at 254 nm for the cooling laser system that was designed and implemented during the thesis. The new doubling stage allowed us to perform spectroscopies with long integration times necessary for the measurement of stability of our clock and systematic shifts. The second major and important improvement was the change of the lattice trap cavity. The new lattice cavity allowed us to increase trap depth by a factor of 3, number of trapped atoms by 10, improved the signal to noise ratio and increased stability of the clock. The fifth chapter tells about the obtained results. Thanks to all the technical improvements spectroscopy of the clock transition with the record linewidth of 3.3 Hz was demonstrated. State selection and spectroscopy on dark background were implemented. Stability of the clock was improved by a factor of 5 and measured to be 1.2*10-15 at 1 s. No observable collision shift and second order Zeeman shift were measured at the uncertainty level of ~1*10-16. The shift of the clock frequency due to lattice light was measured to be below 6*10-17.

Ce mémoire présente le développement d'un dispositif expérimental permettant de mesurer deux composantes du gradient de pesanteur, Γzz et Γzx, ainsi que l'accélération de pesanteur. Ces grandeurs sont déterminées en mesurant l'accélération d'atomes froids de rubidium, en chute libre dans le vide, par interférométrie atomique. Pour la gradiométrie, la mesure différentielle est réalisée entre deux nuages atomiques spatialement distants. Pour la mesure de Γzz, l'utilisation de réseaux optiques mobiles permet d'obtenir deux nuages atomiques à partir d'une unique source atomique. Ce travail présente la mise en place du dispositif complet, avec notamment la réalisation de l'enceinte à vide, et des systèmes laser et micro-onde. Les lasers sont basés sur la technologie télécom doublée, permettant d'obtenir des modules compacts et robustes, afin d'envisager des applications embarquées. L'architecture laser originale permet de réaliser des expériences d'atomes froids combinant interférométrie atomique et réseaux optiques, en réduisant au minimum le nombre de composants. Le bruit du laser a été caractérisé, et il limite la sensibilité gravimétrique à 10-9 g en monocoup, la sensibilité différentielle à 10-10 g en monocoup, et la sensibilité gradiométrique à 38 E, en monocoup. / This thesis presents the development of the experimental setup allowing the measurement of two gravity gradient components, Γzz and Γzx, and the gravity acceleration. These quantities are resulted from the measuring of rubidium cold atoms acceleration, in free fall in vacuum, by atom interferometry. For gradiometry, the differential measurement is realized between two atomic clouds spatially separated. For the measurement of Γzz, the use of mobile optical lattices allows to get two atom clouds from a single atomic source. This work presents the setting up of the complete device, in particular with the built of the vaccum chamber, laser and micro-wave systems. Lasers are based on frequency-doubled telecom technology, which allows to obtain compact and robust systems, dedicated for onboard applications. The innovative laser architecture allows to combine atom interferometry and optical lattices, while minimizing the amount of components. The laser noise has been characterized, and limits the single shot gravimetric sensitivity to 10-9 g, the single shot differential sensitivity to 10-10 g, and the single shot gradiometric sensitivity to 38 E.

Les deux objectifs principaux de cette thèse sont : la préparation de nouvelles cétones insaturées et l'étude de leurs propriétés dans les domaines biologiques et de la chimie des matériaux. La synthèse de nouveaux bis-ylures mixtes-(P,S) et l'étude de leur réactivité. Dans le premier chapitre, après une introduction bibliographique sur l'importance des cétones a,b-insaturées dans le domaine biologique, sont décrites les synthèses de nouvelles dichalcones et d'hydroxybenzylidène-indanones. Le deuxième chapitre est consacré à l'étude de la chimie de coordination des nouveaux composés préparés, avec un intérêt particulier pour les complexes de fer(0) pour les bis-chalcones et de fer(III) pour les hydroxybenzylidène-indanones. Quelques complexes de cuivre(II) et de vanadium(V) sont également décrits. Le troisième chapitre est dédié à l'utilisation des composés organiques et complexes organométalliques dans le domaine de la biologie, et plus particulièrement leur activité cytotoxique. Des résultats très encourageants ont été obtenus notamment comme anti-cancéreux potentiel contre les lignées cellulaires U-251 (glioblastome). Les complexes d'hydroxybenzylidène-indanones de fer(III) ont également été utilisés pour préparer des films minces présentant des propriétés intéressantes en tant que semi-conducteurs. La dernière partie de ce manuscrit de thèse contient un rappel sur la chimie des bis-ylures et leur potentiel en tant que source de carbone atomique. Il décrit ensuite la synthèse, la caractérisation et la réactivité de deux nouveaux modèles de bis-ylures mixtes-(P,S). / The present work concerns two main topics: the development of new unsaturated ketones and the study of their properties towards biological and material applications. The preparation of new (P,S)-bis-ylides, species that can behave as atomic carbon source. In the first chapter, a brief bibliographic overview describes the importance of unsaturated ketones for biological applications followed by the synthesis and characterization of new bis-chalcones and hydroxybenzylidene-indanones. The second chapter deals with the preparation of new organometallic complexes, more specifically new bis-chalcones iron(0) complexes and new hydroxybenzylidene-indanone iron(III) complexes. Most of these species have been characterized by X-Ray diffraction analysis. Some copper(II) and vanadium(V) are also described. The third chapter is dedicated to the study of the new organic and organometallic compounds towards applications in biology and materials science. Of special interest, hydroxybenzylidene-indanone iron(III) complexes exhibits excellent results as cytotoxic agents for U-251 cancer cells (glioblastome). In addition, some of the complexes synthesized are useful to prepare thins film displaying semi-conductor properties. The last chapter of this manuscript contains an overview on bis-ylide chemistry, more specifically towards the species that can behave as sources of elementary carbon. Then the synthesis, characterization and reactivity of two new (P,S)-bis-ylides are described.