Le domaine émergeant de l’électronique imprimée nécessite de nouveaux matériaux peu coûteux et non toxiques pour réaliser de nombreux systèmes tels que des circuits logiques, des capteurs, des affichages, des thermoélectriques ou même du photovoltaïque sur substrat souple. Il s’agit aussi d’optimiser le fonctionnement de couches granulaires de semiconducteurs de type n et p.BiCuOS a été identifié comme un semiconducteur de type p possédant des propriétés intéressantes. Cependant, sa forte sous stoechiométrie en cuivre induit un dopage de type p trop élevé qui nuit à ses propriétés semiconductrices. De plus, comme la plupart des composés à base de chalcogénures, BiCuOS se décompose lors d’un frittage, et ne peut être densifié thermiquement. Dans le but d’optimiser des couches minces de BiCuOS, des solutions doivent ainsi être trouvées pour i) réduire le taux de dopage ; ii) obtenir de bonnes mobilités dans des couche peu denses. De nombreuses substitutions chimiques ont été essayées telles que celle du soufre par l’iode et celle du cuivre par l’argent. Ces substitutions ont permis de réduire fortement le taux de porteurs de charge. D’autre part, nous avons étudié l’effet du greffage de molécules à la surface des grains de semiconducteurs sur la conduction électronique. Des molécules conjuguées (acides téréphtaliques substitués) et des polymères dérivés des polythiophènes ont été adsorbés à la surface d’un semiconducteur modèle de type n, ZnO. L’amélioration du transfert électronique intergranulaire a été expliquée par le saut des électrons au travers de la LUMO de ces molécules.L’élaboration d’encres de particules semiconductrices stabilisées par de telles molécules a permis la fabrication par voie liquide de jonctions diodes p-n ZnO/BiCuOS avec de bonnes performances malgré l’absence de propriétés photovoltaïques. Plus largement, ce travail est une contribution à la mise en forme de nouveaux systèmes d’électronique hybride par voie de chimie douce, dont le développement permettrait la commercialisation de technologies plus respectueuses de l’environnement. / The emerging domain of printed electronics requires new cheap and non-toxic materials for applications such as logic devices, sensors, displays, thermoelectric and photovoltaic devices. It also requires optimizing the conduction in granular semiconductors. BiCuOS has been identified as a promising p-type semiconductor for such applications. However, its high copper under-stoichiometry, induces an important p-type doping, which is detrimental for its use as a photovoltaic absorber. Moreover, like all chalcogenide based materials, it shows a poor chemical stability during sintering, thermal treatment necessary to enhance transport properties. In order to optimize its properties, solutions must be found i) to control the doping content, ii) to obtain good charge carrier mobilities in thin films. On the one hand, we have explored different kinds of substitutions such as iodine for sulfur or silver for copper, which successfully enabled to strongly reduce the charge carrier density. On the other hand, we have studied the effect of grafting conjugated molecules (terephthalic acid and polythiophene derivatives) onto the surface of a model n-type semiconductor (ZnO) to study their effect on the intergranular transport. Electronic transfer improvement occurs by transfer though a lowered energy barrier formed by the LUMO of the molecules. The formulation of optimized inks using these molecules as additives allowed the thin film deposition of p-n diodes formed with ZnO/BiCuOS. Although no photovoltaic effect has been detected yet, the p-n junctions showed high nonlinear properties and are strongly photosensitive. With this work, we have participated to the elaboration of new sulfides and hybrid interfaces systems for the improvement of semiconductor devices. The development of such hybrid electronic devices through soft chemistry method is a valuable step towards the commercialization of sustainable technologies.

Récemment perçues comme une Alternative aux énergies fossiles, les Piles à combustible reçoivent un grand intérêt. Les Piles à combustible à membrane échangeuse de proton sont commercialisées avec un électrolyte composé d'un polymère perfluoré, le Nafion. Ce dernier, au prix prohibitif ainsi qu'aux propriétés réduites à forte température, est un frein au développement industriel de cette catégorie de PAC. Cette thèse présente une alternative originale. Une membrane électrolyte, associant propriétés pertinentes de la chimie du sol-gel (chimie douce, aisément paramétrable) au procédé electrospinning. Une formulation idéale a été trouvée au travers d'une maitrise des paramètres de synthèse et de procédé ; une membrane hybride associant domaines Organique et Inorganique. Le travail s'axe ensuite autour de la compréhension de la diffusion protonique au sein de ce matériau multi-échelle. Clés des performances des membranes, une analyse microstructurale complète a été effectuée (MEB, FTIR, ATG, RMN). Elle a permis une corrélation aux différentes échelles de la structure de la membrane et du transport protonique. Le travail de compréhension s'est alors concentré sur les phénomènes multi-échelles, par mesure diélectriques à large bande, révélant différentes échelles de diffusion du proton (mis en avant par spectroscopie d'impédance électrochimique, par RMN à gradient de champ et par diffusion quasi-élastique de neutrons). / Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has recently received increasing attention as a clean renewable power source due to its high operational efficiency and minimal environmental impact. The currently well-developed PEMFC technology is based on perfluorosulfonic polymers acid membranes as electrolyte. The reference membrane is Nafion due to their excellent chemical, mechanical, and thermal stability. However, Nafion presents several drawbacks as high cost and relative low operational temperatures. An alternative to replace commercials membranes is the development of organic-inorganic hybrid membranes for fuel cell applications. The advantage of these membranes is the decoupling of the proton transport from the mechanical properties. This hybrid membrane combines the intrinsic physical and chemical properties of both the inorganic and organic components allowing desirable properties. The swelling of the membrane can be adjusted via the composition of the membrane. A new hybrid membrane composed of silica and polymer PVDF-HFP is synthesised by combining sol gel chemistry and electrospinning. The association between the sol gel process and electrospinning permits the creation of an inorganic network within the polymer membrane, and morphological control to tune the proton pathway. This process recreated the nanoseparation observed in hydrated Nafion while being in dependent of water quantity. This organisation is strongly correlated with high conductivity of nafion. These news membranes are made of polymer fibbers surrounded by a functionalized (-SO3H) inorganic network. This microstructure conduces to membranes with conductivity values comparable to Nafion. To optimize the sol-gel chemistry and the electrospinning parameters, there is a need to understand proton mechanisms in these multiscale materials. Several characterisation techniques are used to explain the microstructure and to understand the link with conductivity values.

Différentes techniques spectroscopiques (impédancemétrie électrique, RMN, IR et Raman) ont été utilisées pour étudier la mobilité ionique de deux séries de verres binaires de borate d’alcalins (Li₂O-B₂O₃ et Na₂O-B₂O₃) dans une large gamme de composition en relation avec la structure, aussi bien dans l’état solide que dans l’état fondu. Nous avons ainsi établi un bilan complet de l’évolution de la structure du réseau vitreux à température ambiante en fonction de la teneur en oxyde d’alcalin M₂O. Alors que B₂O₃ n’est formé que d’unités BO₃, organisées en anneaux boroxol reliés par des chaînes, l’ajout d’alcalins entraîne l’apparition d’unités BO₄- incorporées dans différents groupements borate. Parallèlement, les chaînes et les boroxols disparaissent progressivement. A partir de 20% en M₂O, les alcalins commencent à jouer un rôle de modificateurs de réseau vitreux en cassant des liaisons, entrainant la formation d’oxygènes non-pontants (NBO). Leur proportion augmente rapidement de telle sorte qu’à partir de 40% de M₂O, la teneur en BO₄- rediminue. L’association de deux dispositifs de mesure de l’impédance complexe a permis d’obtenir des valeurs fiables de la conductivité sur un intervalle de température très étendu allant du solide jusqu’à l’état fondu. En dessous de Tg, la conductivité statique suit une loi d’Arrhenius. Sa valeur augmente avec la teneur en M₂O, toutefois, deux changements de régime sont observés : le premier vers 32% de M₂O coïncide avec l’anomalie de bore et peut être relié à la formation d’un nombre important de NBO, le second, est observé dans la série Na vers 10-20% de Na₂O et serait provoqué par une compaction du réseau. En passant à l’état fondu, la conductivité augmente de façon considérable et suit une loi VFT. Nous avons observé que l’anomalie de bore persiste à l’état fondu, mais se déplace vers les basses teneurs en M₂O. / Different spectroscopic techniques (electrical impedancemetry, NMR, IR and Raman) have been used to study ionic mobility of two series of binary alkaline borate glasses (Li₂O-B₂O3 and Na₂O-B₂O₃) in a wide range of composition in relation to their structure, both in the solid and molten state. We have thus established a complete description of the structural evolution of the vitreous network at ambient temperature as a function of the alkaline oxide M₂O content. While B₂O₃ is only formed of BO₃ units, organized in boroxol rings linked by chains, the alkaline addition leads to the appearance of BO₄- units incorporated in different borate groups. At the same time, chains and boroxols disappear gradually. From 20% M₂O, the alkalines start to play the role of vitreous network modifiers by breaking bonds, resulting in the formation of non-bridging oxygens (NBO). Their proportion increases rapidly so that, from 40% M₂O, the BO₄- content decreases. The association of two devices for measuring the complex impedance enabled us to obtain reliable values of the conductivity over a very extended temperature range from the solid to the molten state. Below Tg, the static conductivity follows Arrhenius law. Its value increases with the M₂O content, however, two changes are observed: the first towards 32% M₂O coincides with the so-called boron anomaly and can be related to the formation of a large number of NBO, the second, is observed in the Na series towards 10-20% Na₂O and is caused by network compaction. When passing to the molten state, the conductivity increases considerably and follows a VFT law. We observed that the boron anomaly persists in the molten state, but moves to lower M₂O contents.

"Il ya beaucoup de place vers le bas!", ait déclaré Richard Feynman dans son discours sur les nanotechnologies en 1959, ouvrant un nouveau monde de la science et de la technologie! L'idée d'utiliser des nanoparticules afin d'améliorer les propriétés diélectriques des polymères qui étaient déjà en cours d'utilisation a suscité l'intérêt des chercheurs dans les deux dernières décennies. Nanocharges tels que la silice, l'alumine, l dioxyde de titan, etc, mais aussi des particules plus grosses comme les argiles ou les nanotubes de carbone ont été mélangés avec les polymères «classiques» afin d'améliorer les propriétés du polyéthylène, des résines époxy, de polypropylène, etc.De nos jours, le rendement de conversion d'énergie de générateurs électriques est limitée par des problèmes thermiques et électriques, limitations étant surtout liées à la qualité des rubans isolants appliqués sur les barres en cuivre. En conséquence, des rubans isolants innovants basés sur des de matériaux nanostructurés ont été envisagés pour augmenter le rendement énergétique des alternateurs et le but de ce travail est d'étudier ces matériaux innovants et de comparer leurs propriétés avec celles des matériaux déjà utilisés, afin d'aider à choisir le meilleur matériau composite pour les futurs rubans. Après une brève introduction sur le contexte de ce travail, on a présenté bref état de l'art les propriétés des polymères époxy, avec un débat sur les propriétés électriques de la matrice polymère choisie (résine époxyde), ses propriétés chimiques et thermiques. Ensuite, les nanocharges choisies et leurs propriétés spécifiques sont présentés, en discutant les différentes étapes du procédé de fabrication, aussi qu'un débat sur les phénomènes qui apparaissent à l'échelle nanométrique et leur éventuelle influence sur les propriétés du matériau composite fini.Différents groupes de matériaux composites à base d'époxy remplis de silice nanométrique, argile organique ou de nitrure de bore sont analysés dans ce travail. Afin de caractériser et interpréter leurs propriétés, plusieurs outils ont été utilisés: la microscopie imagerie, la caractérisation thermique ainsi que les méthodes d'investigation à fort ou faible champ électrique. Leur caractéristiques sont ressemblés et différents observations sur des propriétés «générales» ou «spécifiques» des matériaux composites ont été observés et discutés par rapport à l'influence du type de charge utilisée, de son traitement ou de son poids total sont débattues.Enfin, un modèle numérique basé sure une généralisation de la loi des mélanges sera utilisée afin de prédire la réponse diélectrique des matériaux composites ainsi que les paramètres (taille, permittivité) de l'interphase, «l'ingrédient« magique du mélange matrice de remplissage. Le modèle présenté nous a permis de donner un lien entre les différents matériaux et de valider les résultats obtenus expérimentalement. Une approche par éléments finis est utilisée.Ce manuscrit s'achève par des conclusions sur le travail présenté et il laisse entrevoir les perspectives dans l'analyse complexe des polymères nanocomposites . / “There's plenty of room of the bottom!” said Richard Feynman in his talk on top-down nanotechnology in 1959, bringing into the spot light a new world of science and technology ! The idea of using nanoparticles in order to improve the dielectric properties of the polymers that were already in use attracted the interest of researchers for the last two decades. Nanofillers such as silica, alumina, titania etc, but also larger particles such as clays or carbon nanotubes were mixed with the “classic” polymers in order to improve the properties of polyethylene, epoxy resins, polypropylene etc. Since nowadays the energy conversion efficiency of electrical generators is restricted by thermal and electrical issues, these limitations can be related to the electrical insulator tapes themselves. Thus, innovative insulating tapes based on nanostructured material scenarios to address the energy saving concern are intended and the purpose of this work is to investigate these innovative materials and to compare their properties with those of the materials already in use, in order to help choosing the best composite material for the future tapes.This works begins with a state of the art regarding the properties of epoxy polymers. Their chemical, thermal and dielectric properties are presented. Afterwards, the chosen fillers and their specific properties are presented. The influence of the chosen fillers as well as different steps of the nanocomposite materials manufacturing process are presented and the discussion ends with a debate on the phenomena appearing at the nanometric scale and their possible influence on the properties of the finite composite material .Different materials groups of epoxy based composites filled with nanometric silica, organoclay or boron nitride are analyzed afterwards. In order to characterize and interpret their properties, several tools were used: imaging microscopy, thermal characterization as well as high and low electric field investigation methods. A debate trying to distinguish between so called “general” or “specific” behavior of the composite materials with respect to the normal, unfilled polymer is also presented. The influence of the type of filler, its treatment or its weight total percentage will be are chosen as comparison criteria. Finally, a numerical model based on Finite Element Method approximation was used in order to predict the dielectric response of the composite materials as well as the specific parameters (size, permittivity) of the interphase, the magic “ingredient” of the matrix-filler mix. The presented model allowed us to give a connection between the different materials and validate the experimentally obtained results. This manuscript ends with conclusions on the presented work and suggests possible future works in the complex analysis of polymer nanocomposites.

Le tapis de nanotubes de carbone est un matériau intéressant pour des applications telles que les batteries, les piles à combustible ou les interconnexions en microélectronique. L’optimisation de la structure du tapis et de ses performances électriques pour une application donnée, envisageable si les mécanismes de croissance du tapis sont bien compris, est encore imparfaite aujourd’hui. L’équipe du CEA-Tech de Grenoble a modifié son procédé de dépôt CVD (Chemical Vapor Deposition en anglais) pour élargir la fenêtre des conditions de croissance et améliorer les performances des tapis de nanotubes en ajoutant des filaments chauds en carbone pour activer la phase gazeuse. Les travaux de cette thèse se sont orientés vers l’évaluation du rôle des filaments sur la croissance des tapis et l’impact qu’ils ont sur les performances électriques. Des méthodes d’analyse et des dispositifs expérimentaux dédiés ont été mis en place, pour pouvoir évaluer rigoureusement l’impact des filaments chauds sur la croissance des nanotubes. La synthèse de tapis de nanotubes de même structure avec et sans assistance des filaments a permis de démontrer que les filaments chauds ne modifiaient pas la cinétique de croissance mais allongeaient considérablement la durée de vie du catalyseur. Des tapis de nanotubes plus longs mais surtout avec une densité de nanotubes plus homogène en profondeur peuvent ainsi être obtenus, améliorant ainsi les performances électriques du tapis. Un modèle combinant propriétés électriques et cinétique de croissance est proposé pour interpréter les résultats / Carbon nanotubes forest have great potential in various electrical applications such as energy storage, microelectronic interconnects or electrical cable. These high-end applications however require control and tuning of the CNT structure and electrical performances which can only be achieved thanks to a good understanding of the growth mechanism. An original implementation of hot filament assisted CVD (Chemical Vapour Deposition) was developed at CEA-Tech in Grenoble to enlarge process window and improve the synthesis of carbon nanotube forest. This new method relies on the use of a parallel array of carbon hot filaments to activate the gas phase. The work of this thesis focused on the evaluation of the role of carbon filaments on CNT forest growth and electrical properties. Dedicated experimental methods and tools were developed to accurately assess the impact of hot filament assistance during CVD growth. By growing CNT forest of identical structures both with and without filament assistance, it is shown that hot filaments do not modify growth kinetics but drastically increase the catalyst lifetime. Thicker CNT forest with uniform density from top to bottom can thus be synthesized with this method. This translates into CNT forests with improved electrical performances. A model combining electrical properties with growth kinetics is introduced to quantitatively interpret our results

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de nouveaux matériaux permettant de se substituer aux métaux pour les applications de transport de l’électricité. L’excellente conductivité électriques des nanotubes de carbone (NTC) ainsi que le fait qu’ils peuvent être assemblés sous forme de fil en font une alternative prometteuse. Cependant, la conductivité électrique des fils en NTC n’est pas encore suffisante pour directement concurrencer les métaux. Ce travail de thèse cherche à identifier et comprendre les points bloquants pour les dépasser et ainsi améliorer la conductivité des fils en NTC. Les nanotubes de carbones sont fabriqués par la technique de Chemical Vapour Deposition sous forme de tapis. Ces tapis dit "filable" permettent d'extraire une nappe de NTC que l’on densifie ensuite pour former un fil. Tous les travaux de la littérature sur ce type de fil rapportent des résistivités supérieures à 1 mΩ.cm. Afin de comprendre cette limite apparente, une étude approfondie du transport électronique de ces fils est présentée en étudiant le comportement de la résistance du matériau entre 3 K et 300 K. Cette analyse met en évidence que le transport dans les fils de NTC est dominé par les contacts entre NTC en dessous de 70 K et qu’il est dominé par le transport intrinsèque des NTC au-dessus de 70 K. L'amélioration de la conductivité des fils en NTC à température ambiante passe par l’amélioration de la conductivité intrinsèque des NTC. Pour ce faire, deux techniques sont présentées dans ce travail, l’amélioration de la qualité structurale des NTC obtenue par un recuit à plus de 2000 °C et le dopage. L'amélioration linéaire de la conductivité du fil de NTC avec la qualité structurale des NTC nous a permis d’atteindre un record de résistivité à 0.76 mΩ.cm. Le dopant présenté dans ce travail (PtCl4) est pour la première fois utilisé pour des fils en NTC. Ce dopant possède une excellente efficacité (résistivité diminuées par 3) et une très grande stabilité dans le temps. L’amélioration de la qualité structurale des NTC augmente fortement l’efficacité de dopage. La qualité structurale est indispensable pour atteindre d’excellentes conductivités électriques. Un schéma récapitule l’influence des différents paramètres expérimentaux sur le transport électronique des fils en NTC. Enfin, l’étude du transport électronique dans les matériaux en NTC a permis de développer un nouveau modèle de transport s’ajustant à la fois à nos travaux ainsi qu’à tous ceux de la littérature. Ce modèle consiste en deux résistances en série. La première résistance décrit le transport dans les matériaux en NTC en dessous de 70 K et est très bien décrite par la théorie d’un Liquide de Luttinger. La deuxième résistance dépend à la fois du transport intrinsèque des parois métalliques et semi-conductrices des NTC ainsi que de l’arrangement des NTC entre eux (faisceaux ou individualisés). Ce modèle permet de tirer les informations intrinsèques aux fils comme la façon dont les électrons sont injectés dans les NTC, l’influence des NTC semi-conducteurs par rapport aux métalliques et les libres parcours moyen des électrons dans la structure. L’ensemble de ces résultats indique que les paramètres indispensables pour obtenir des fils très conducteurs sont pour des NTC: d’une excellente qualité structurale, fabriqué sous forme individualisée et avec une forte proportion de parois métalliques. / The overall framework of this PhD. work is to develop new materials to replace metals in electrical wiring. Carbon nanotubes (CNT) are a good alternative as they show a high electrical conductivity as well as they can be assembled into yarns. However, CNT yarns have not yet reached the electrical conductivity of individual CNTs preventing them from competing with metals. The aim of this work is to identify the factors limiting the CNT yarn conductivity, increase the CNT yarn conductivity and model their electrical transport. In this work, carbon nanotubes are grown in array by Chemical Vapour Deposition. Our CNT arrays are spinnable meaning that, CNT webs can be drawn from it and then densified into yarns. All the published works on this type of CNT yarns reveal that their resistivities are limited above 1 mΩ.cm. In order to understand this apparent limitation, we present an extensive study of the CNT yarn electrical transport by measuring the yarn resistance behavior from 3 K to 300 K. We show that the CNT yarn electrical transport is dominated by the contact resistance between CNTs below 70 K and by the intrinsic CNT resistance above. In order to improve the CNT yarn electrical conductivity at room temperature, it is essential to improve the intrinsic CNT conductivity. Two ways are investigated, the first one is to increase the CNT structural quality by annealing above 2000 °C, and the second one is doping. Annealing treatment drastically improves the CNT structural quality, revealing that the CNT yarn resistivity linearly decreases with the CNT quality improvement. This treatment allows reaching a resistivity record of 0.76 mΩ.cm for undoped yarn made from CNT array. In addition, we present a new dopant for CNT yarn (PtCl4) that shows both high doping efficiency (CNT resistivity decreased by almost a factor of 3) and a very long term stability. By combining successively annealing and doping treatments, we found out that the doping efficiency is drastically increased by the CNT structural quality improvement. From all our experimental studies and the literature data analysis, we present a scheme showing the influence of many parameters on the CNT yarn electrical transport. After bringing to light that existing electrical transport models do not correctly explain the CNT yarn electrical transport, we developed a new model that perfectly fits both our data and those of the literature. Our model consists in two resistances in series. The first resistance represents the CNT material electrical transport below 70 K and is very well explained by the Luttinger Liquid theory. The second resistance depends on both the intrinsic CNT wall electrical transport (metallic or semi-conducting) and the CNT arrangement (bundled or individualized). Our model allows extracting CNT yarn physical parameters such as the way electrons tunnel from one CNT to another, the role of semi-conducting walls versus metallic ones and the electron mean free paths in the structure. All these results highlight that the main ways to make CNT yarns with high electrical conductivities involve individualized CNTs, with an excellent structural quality and also a high metallic CNT wall content.

Cette thèse est consacrée à la synthèse et à la caractérisation physique de nouveaux polymères de coordination bidimensionnels (2D) possédant un ordre magnétique et/ou une conductivité électrique à haute température. La présence simultanée de ces deux propriétés au sein d'un même matériau représente un formidable défi pour la synthèse de matériaux multifonctionnels utilisables dans le traitement et le stockage des données de nouvelles générations. Notre approche pour synthétiser de tels systèmes implique l'utilisation du ligand pontant organique redox-actif pyrazine, et de métaux de transition réducteurs. Le chapitre I présente quelques aspects généraux sur la chimie redox, la délocalisation des charges et la valence mixte qui sont essentiels à la compréhension des résultats expérimentaux. Les différentes approches de synthèse de polymères de coordination conducteurs et magnétiques sont également décrites. Le chapitre II donne un aperçu général des concepts fondamentaux concernant la conductivité électrique, le magnétisme et la spectroscopie d'absorption des rayons X. Le chapitre III analyse la synthèse et la caractérisation physique du composé CrCl2(pyrazine)2 présentant à la fois un ordre magnétique et une conductivité électrique. Les chapitres IV et V sont consacrés à l'étude de nouveaux composés MX2(pyrazine)2 en faisant varier M (Ti, V) et X (OSO2CH3, Br et I). L’objectif est de déterminer l’effet de la nature du centre métallique et du ligand axial sur les propriétés magnétiques et électriques. Enfin, le chapitre VI illustre comment la chimie redox post-synthétique peut entraîner une augmentation impressionnante de la température de l'ordre magnétique dans les matériaux 2D à base de pyrazine. / This thesis is devoted to the synthesis and physical characterization of new two-dimensional (2D) coordination polymers that present high-temperature magnetic order and/or electrical conductivity. The simultaneous implementation of these two properties within a single material represents a formidable challenge in the synthesis of multifunctional materials for next-generation data processing and storage. Our approach to synthesize such systems involves the use of the redox-active organic bridging ligand, pyrazine, and reducing transition metals. Chapter I presents some general aspects of redox-activity, charge delocalization and mixed-valency that are crucial for the understanding of the experimental results. The different approaches for the synthesis of conducting and magnetic coordination polymers are also described. Chapter II provides a general view on the fundamental concepts regarding electrical conductivity, magnetism and X-ray absorption spectroscopy. Chapter III deals with the synthesis and extensive physical characterization of the coordination solid CrCl2(pyrazine)2, which exhibits both magnetic order and electrical conductivity. Chapters IV and V are devoted to the study of the effect of the anionic co-ligands and metal centers, respectively, in the family of MX2(pyrazine)2 (M = Cr, Ti, V and X = OSO2CH3, Br and I) coordination solids. Finally, Chapter VI illustrates how post-synthetic redox chemistry can result in an impressive enhancement of the magnetic order temperature in 2D layered pyrazine-based materials.

Cette thèse de doctorat porte sur l'étude théorique de la conductivité thermique du réseau dans le bismuth semi-métallique et sur les stratégies pour réduire la conductivité thermique en vue d'applications pour réduire l'échauffement dans les circuits électroniques, et pour la thermoélectricité. J'ai utilisé des méthodes avancées de résolution de l'équation de transport de Boltzmann pour les phonons, et de calcul ab initio des éléments de matrice de l'interaction phonon-phonon. J'ai calculé la dépendance en température de la conductivité thermique du réseau dans le matériau en volume en excellent accord avec les rares expériences disponibles. J'ai obtenu une description très précise, à l'échelle microscopique, du transport de la chaleur et j'ai quantifié la contribution des porteurs de charge à la conductivité thermique totale. J'ai démontré que la nano-structuration et la photo-excitation sont des moyens très efficaces dans le bismuth de contrôler la diffusion des phonons qui portent la chaleur, respectivement par interaction avec les bords de l'échantillon, et par interaction phonon-phonon. En contrôlant l'équilibre entre ces deux derniers effets, j'ai prédit de façon exhaustive l'effet de réduction pour différentes températures et tailles de nanostructures, pour des mono et poly-cristaux, semi-conducteurs ou semi-métalliques. Enfin, j'ai étudié l'élargissement anharmonique des phonons acoustiques et optiques, et j'ai déterminé pour chacun les interactions majeures qui contribuent à l'élargissement. L'atténuation du son a été prédite dans le bismuth pour de futures expériences. L'approximation des grandes longueurs d'ondes [long-wave approximation (LWA)] a été validée pour le bismuth et ses limites ont été déterminées. / This work is devoted to the theoretical investigation of the heat conduction in bulk bismuth and the possible strategies for its reduction. Thermal properties of Bi are extremely interesting because of its low thermal conductivity that makes this material suitable for the thermal management applications. Moreover, bismuth is an excellent model substance for the study of thermoelectricity and bismuth-based compounds such as Bi2 Te3 and Bi2 Se3 which are typical thermoelectric materials used in industrial applications.In collaboration with L. Paulatto (IMPMC), G. Fugallo (Ecole Polytechnique), F. Mauri(IMPMC) and M. Lazzeri (IMPMC) I have applied the recently developed advanced methods of the solution of the Boltzmann transport equation (BTE) and of the phonon-phonon matrix elements calculation to describe thermal transport in bismuth. I have obtained the temperature dependence of the lattice thermal conductivity which is in excellent agreement with experiment. Moreover I am able to predict the lattice thermal conductivity (LTC) at temperatures at which it has not been measured. I have found that most of heat is carried by the acoustic phonons. However, the optical phonons were shown to play an important role by modulating the magnitude of the acoustic-optical phonon interaction (AOPI) and thus the value of the lattice thermal conductivity. Furthermore, I have shown that the available experimental data for the lattice thermal conductivity for polycrystalline thin-films are remarkably explained by my calculations, which enables me to predict the effect of the LTC size reduction for various temperatures and nanostructure shapes and sizes.The methods I use contain no empirical fitting parameters and give a direct insight into the microscopic mechanisms determining the transport and anharmonic properties of the materials. This allows me to analyze the anharmonic broadening that is inversely proportional to the phonon lifetime, for the various phonon modes along the high symmetry directions in the Brillouin zone and show what are the major scattering channels for coalescence/decays of phonons that govern the thermal transport in Bi.

La construction dans l'Arctique nécessite une connaissance précise des propriétés thermiques et géotechniques du pergélisol. La connaissance de ces propriétés est également nécessaire pour le paramétrage des modèles de transfert de chaleur. Des études antérieures ont démontré le grand potentiel de l'utilisation de la tomodensitométrie pour les mesures du volume des composantes du pergélisol et la visualisation de la cryostructure. Une nouvelle approche est proposée pour mesurer la conductivité thermique du pergélisol. Les objectifs généraux de ce projet sont (1) d’élaborer une nouvelle méthode de caractérisation du pergélisol à l’aide de la tomodensitométrie et de modèle éprouvés et (2) de comparer et mettre au point une méthode novatrice pour mesurer la conductivité thermique et des paramètres géotechniques. Les résultats démontrent que les tests effectués à l’aide de la tomodensitométrie donnent des résultats d’une valeur scientifique comparable aux autres méthodes existantes de mesure de déjà existantes de conductivité thermique du pergélisol. / When building in the Arctic, design considerations require precise knowledge of the thermal and geotechnical properties of the permafrost. Computed tomography provides visualization of the cryostructure of permafrost. Previous studies showed great potential in using this technology for classification and volume measurements of permafrost components, i.e. sediment (solid), ice and gas (void) contents. The aims of this study are (1) to develop an innovative and non-destructive approach using CT scan to compute the thermal conductivity of undisturbed permafrost samples and (2) to validate the results computed from CT scan image analysis with proven experimental thermal conductivity data. The very good results obtained so far show that CT scan thermal conductivity measurements yield results comparable to other existing methods. The new approach could still be significantly improved by the use of a higher resolution CT scanner.

Afin d'étudier la faisabilité du stockage des déchets radioactifs à haute activité et à vie longue, l'ANDRA a mis en place un laboratoire de recherche souterrain dans les argilites du Callovo-Oxfordien à environ 500 mètres de profondeur. L'excavation de galeries dans ce type de formations argileuses profondes induit une zone d'endommagement (EDZ) qui se caractérise principalement par des perturbations mécaniques et hydriques qui évoluent au cours du temps. Nous nous sommes intéressé à l'étude des phénomènes de transferts hydriques, ioniques et thermiques dans les argilites partiellement saturées par des méthodes géo-électriques non intrusives : la polarisation provoquée spectrale et la polarisation spontanée. Les travaux que nous avons menés ont permis de développer des modèles mécanistiques pour relier les résultats des mesures géo-électriques sur échantillons à des propriétés de transport en milieu partiellement saturé : coefficient de diffusion effectif et conductivité thermique.