La mission Cassini-Huygens a été conçue dans le but d'étudier la planète Saturne et son environnement proche, notamment le satellite Titan. L'orbiteur Cassini possède à son bord un instrument radar en bande Ku (f=13.78 GHz) qui aura pour principal but de percer l'épaisse atmosphère de Titan et d'en imager la surface. Dans ce contexte, l'objectif de notre travail était de préparer l'interprétation des futures données du radar. Nous avons, pour ce faire, réalisé des simulations de la propagation de l'onde radar avec l'aide de mesures diélectriques effectuées en laboratoire, ceci afin d'anticiper les éventuelles perturbations liées à la traversée de l'épaisse atmosphère de Titan et à la rétrodiffusion sur sa surface. En raison de l'absence de données concernant les propriétés diélectriques micro-onde des particules qui composent les brumes de Titan, nous avons effectué des mesures de la constante diélectrique d'analogues d'aérosols synthétisés en laboratoire (aussi appelés tholins) autour de 13.78 GHz. Nous avons obtenu pour la partie réelle une valeur comprise entre 2 et 2.5, avec une tangente de perte allant de 10-3 à 5.10-2. Nous avons également rassemblé les valeurs de constante diélectrique des espèces susceptibles de composer l'atmosphère et la surface de Titan pour lesquelles il existait déjà des mesures dans le domaine micro-onde : hydrocarbures légers en phase liquide et solide, glace d'eau et silicates. Avec l'aide de ces mesures diélectriques, nous avons ensuite développé des simulations dédiées à l'étude du comportement de l'onde radar de Cassini tout au long de son parcours. Les résultats en termes d'atténuation atmosphérique sont les suivants : (1) les scénarios de brumes d'aérosols ne causent aucune atténuation et dans ces conditions l'onde radar atteint la surface de Titan sans subir aucune perte. Dans ces modèles d'atmosphère, le rayon des particules n'excède pas 1 um et l'atténuation résultante ne dépassent jamais 0.01 dB. (2) En revanche, lorsque une couche de pluie est ajoutée dans les derniers kilomètres, l'atténuation dépasse rapidement la limite de sensibilité de l'instrument radar. Une onde émergeant d'un tel nuage serait tellement atténuée qu'en retour, aucun écho de surface ne pourrait être détecté. Seule la composante réfléchie sur la couche de nuages pourrait être accessible. Les simulations de rétrodiffusion de surface démontrent également que l'on peut s'attendre à une rétrodiffusion plutôt faible, même pour des surfaces relativement rugueuses à la longueur d'onde du radar de Cassini. A travers une étude plus détaillée de la propagation du pulse de l'altimètre de Cassini et de son interaction avec l'atmosphère de Titan, nous sommes arrivés à la conclusion qu'il serait possible de détecter la présence hypothétique de nuages et de sonder un certain nombre de leurs propriétés (existence de pluies et extension des systèmes de nuages, taille, concentration et vitesse des particules).

Ce travail de thèse présente une étude théorique, numérique et expérimentale de l'intégration sur un guide d'onde diélectrique de chaînes de nanoparticules d'or supportant des résonances " plasmon de surface localisé ". Les guides d'onde à plasmon de surface localisé procurent un confinement sub-longueur d'onde de la lumière, ce qui permet d'envisager la réalisation de composants optiques ultra-compacts. Cependant, leurs pertes optiques élevées restreignent leur application à de courtes distances de propagation, contrairement aux guides d'onde diélectriques. Une combinaison judicieuse des deux types de guide doit donc permettre de bénéficier de leurs avantages respectifs. Dans un premier temps, nous avons étudié théoriquement les propriétés des chaînes des nanoparticules grâce à un modèle analytique basé sur l'approximation de dipôles ponctuels couplés, que nous avons développé. Cette étude a permis de déterminer la forme et les dimensions des nanoparticules qui ont ensuite été introduites dans un logiciel de FDTD pour simuler le couplage entre la chaîne de nanoparticules et le guide diélectrique (SOI ou en Si3N4). De cette étude numérique, nous avons déduit les géométries des structures à fabriquer. Les structures réalisées ont été caractérisées à l'aide d'un banc de transmission résolue spectralement, mis en place pendant cette thèse, et d'un système de mesures en champ proche optique en collaboration avec le LNIO (Troyes). Pour la première fois, nous avons montré expérimentalement les propriétés d'une chaîne courte de nanoparticules intégrée sur un guide SOI, ainsi que le phénomène de guides couplés entre une chaîne longue de nanoparticules et un guide SOI. Une valeur record de la constante de couplage a été obtenue, et ce, aux longueurs d'onde des télécoms (proche infrarouge). L'énergie lumineuse transportée par le mode TE du guide SOI peut ainsi être entièrement transférée au guide plasmonique en 4 ou 5 nanoparticules, soit une distance de propagation de moins de 600 nm. Nous avons également étudié les propriétés de réseaux de Bragg à base de plasmon de surface localisé en confrontant les résultats de mesures de transmission résolue spectralement aux résultats théoriques d'un modèle analytique basé à la fois sur l'approximation de dipôle ponctuel en régime quasi-statique et la théorie des modes couplés. Ces travaux ouvrent la voie à des applications de pinces optiques, de capteurs ou de spaser, qui bénéficieront de l'intégration de nanoparticules métalliques dans les circuits photoniques.

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude théorique et numérique de métamatériaux pour la gamme submillimétrique (domaine térahertz), formés de sphères diélectriques présentant des résonances dipolaires de Mie électrique et magnétique, dispersées dans un milieu-hôte. Tout d'abord, les matériaux à utiliser ainsi que les tailles et fraction volumique des sphères permettant l'obtention d'effets de perméabilité ont été précisées. Ensuite, nous avons mené une étude de la polydispersité en taille et donné les distributions en taille limite à ne pas dépasser lors d'une synthèse chimique. Nous avons également montré qu'une polydispersité contrôlée pouvait engendrer un élargissement des zones de perméabilité négative ou une zone de perméabilité nulle. Enfin, nous avons étudié le comportement électromagnétique d'assemblages bidisperses de sphères de TiO2 par simulations numériques, et avons procédé à une analyse des modes de Bloch, semblant indiquer l'existence d'une bande d'indice négatif pour des fractions volumiques élevées.

La décontamination bactériologique des surfaces par lumière pulsée est un enjeu de société qui requiert le développement de nouveaux outils. Une technique ayant prouvée son efficacité est l'utilisation de lumière pulsée dans le domaine de longueur d'onde 200-280 nm (bande d'absorption de l'ADN). Dans ce travail, nous avons étudié deux sources, Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) et réseaux de microdécharges permettant de générer un rayonnement à 222 nm correspondant à l'émission de l'exciplexe KrCl*. Nos études ont permis de démontrer qu'il était possible de produire des décharges dans de nombreuses microcavités fonctionnant en parallèle sans aucun ballast résistif à condition d'employer une excitation impulsionnelle nanoseconde. Des études d'imagerie et de spectroscopie résolues temporellement ont démontré que l'ensemble des microdécharges s'initiaient en moins de 5 ns, ce qui permet d'envisager la réalisation de matrice de microdécharges rayonnant des puissances crêtes élevées. Dans le cas des DBD, les études ont couplé modèle et expérience, ce qui nous a permis de déterminer les étapes clés de la cinétique réactionnelle et de prédire les meilleures conditions de production d'un rayonnement intense à 222 nm. Par ailleurs, grâce aux microdécharges, nous avons pu réaliser une source de rayonnement VUV permettant de sonder la densité de chlore atomique dans des réacteurs de gravure plasma par spectroscopie d'absorption résonnante.

Ce travail concerne l'étude du phénomène de décharges partielles dans les matériaux isolants utilisés en électronique de puissance. En utilisant des méthodes de détection électrique et optique, le mécanisme de décharge partielle sur des substrats d'AlN dans l'huile silicone a été étudié sur un grand nombre d'échantillons. La variation de la nature du substrat (AlN, Al2O3 et composite verre/époxy) et du matériau d'encapsulation (huile silicone, huile de colza, huile minérale de transformateur, liquide d'imprégnant du condensateur Jarylec et Ugilec) met en évidence l'origine des décharges partielles de l'ensemble substrat - encapsulant. Les décharges partielles sur les substrats céramiques frittés ne dépendent pas du passivant, et se produisent dans le volume du substrat. L'évolution temporelle de la lumière émise dans les liquides en configuration pointe - plan et sur le substrat dans différents liquides montre que l'émission de lumière est un phénomène très complexe influencé par de nombreux paramètres : électroluminescence du solide, de l'encapsulant, décharges partielles, absorption des matériaux. Le phénomène d'électroluminescence du liquide est activé par une illumination extérieure. Les mesures de spectroscopie diélectrique haute tension n'apportent pas d'information supplémentaire sur le phénomène de décharges partielles, car les pertes correspondantes sont très faibles. Mots clés : Décharge partielle, électroluminescence, Nitrure d'aluminium, Alumine, huile silicone, diélectrique liquide, électronique de puissance.

Nous avons étudié un procédé de dépôt par décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique, pour l'obtention de films organosiliciés contenant des fonctions amine. Nous avons étudié l'effet du régime dans lequel opère la décharge sur la production de certaines espèces, telles que CN et CN2. En couplant ces résultats à l'analyse des films réalisés, nous avons pu mettre en évidence le fait que dans un régime filamentaire, le précurseur est fragmenté de manière plus importante. En particulier, les liaisons Si-CH3 sont détruites. Cependant, la quantité d'azote introduite dans le film, qui dépend pour beaucoup de celle de carbone, est plus importante dans le cas d'une décharge de Townsend, et le taux de fonctions amines est plus important. Le taux d'azote dépend également de la nature du substrat. La quantité d'azote introduite dans les films est en effet supérieure dans le cas d'un dépôt sur verre. Aucune explication n'a cependant été apportée à ce phénomène. Des cratères son également apparu dans les films obtenus sur cuivre en régime filamentaire.

L'objectif général de ce travail est d'accroître les connaissances fondamentales des Polymères Conducteurs Intrinsèques (PCI), et plus particulièrement de la Polyaniline (PANI) mélangée à du polyuréthane (PU), afin d'améliorer leurs propriétés électriques. Une étude morphologique montre que ces matériaux sont composés de chaines conductrices de type " spaghetti " mélangées dans une matrice isolante. Une première partie de ce travail est consacrée à la caractérisation diélectrique d'échantillons composés de 0.5%, 1%, 5% de PANI déposés sur de la fibre de verre dans une gamme de fréquence de 20 Hz à 20 GHz. Les résultats font apparaître une relaxation diélectrique qui évolue fortement avec la concentration du mélange. Ce phénomène est expliqué par un modèle théorique basé sur une distribution gaussienne des longueurs des îlots conducteurs. Une étude de vieillissement par voie thermique montre que les chemins de percolation finissent par se casser au cours du temps, ce qui entraine une diminution de la longueur moyenne des îlots et une dégradation des propriétés électriques des polymères conducteurs. La 2ème partie de ce travail concerne des mesures de bruit en 1/f sur des échantillons de 5%, 10%, 20%, 50% et 100% de PANI déposés en couche mince. Pour ces mesures, nous avons été amenés à mettre en place des méthodes utilisant des configurations spécifiques et à choisir la mieux adaptée à nos échantillons. Les résultats de cette étude montrent un fort excès de bruit en 1/f comparativement à ceux obtenus sur des matériaux homogènes. Ces excès de bruit sont expliqués par un modèle développé à partir de la morphologie de type " spaghetti ".

Ce travail est dévolu à l'étude de la diffraction d'ondes électromagnétiques par un corps diélectrique. Des équations de Maxwell, nous dérivons deux équations intégrales. L'une est une équation intégrale volumique à noyau fortement singulier et l'autre, une équation intégrale couplée surface-volume à noyau faiblement singulier. Ces deux formulations sont analysées, à l'aide des résultats standard de Fredholm, en considérant une permittivité électrique discontinue à travers le bord du diélectrique. Cette hypothèse est réaliste et permet de prendre en compte des matériaux composés de différentes couches diélectriques. L'équation intégrale volumique est ensuite résolue numériquement. A cette fin, nous avons développé une méthode pour traiter les singularités de l'opérateur intégral volumique. Cette méthode de traitement des singularités est une méthode de changements de variables faisant appel aux transformations de Duffy et elle peut s'appliquer à une classe plus grande d'opérateurs intégraux. La méthode et l'équation intégrale volumique sont implémentées dans le code Mélina++ qui est une librairie d'éléments fins développée au sein de l'Institut de Recherche Mathématique de Rennes. Quelques résultats de tests numériques viennent, enfin, compléter le travail.

Les matériaux nanocomposites formés à partir de particules métalliques incluses dans une matrice diélectrique présentent des propriétés inusitées que l'on ne retrouve pas dans les matériaux massiques étant donné la taille nanométrique des particules métalliques. Notamment, la résonance des électrons de conduction du métal sous l'excitation d'une lumière incidente, appelée résonance plasmon de surface (spr), donne lieu à l'apparition d'une bande d'absorption dans le visible ayant une influence drastique sur les propriétés optiques du nanocomposite. La position, la largeur et l'amplitude de cette bande d'absorption sont des fonctions complexes des caractéristiques nano-structurales du nanocomposite, notamment : la nature et la concentration du métal, la taille des nanoparticules, leur forme, l'indice de réfraction de la matrice, etc. Spécifiquement, la présence de particules asymétriques, comme par exemple des particules de forme nano ellipsoïdale, permet l'observation de bandes d'absorption spr multiples résultant en un matériau non-symétrique possédant des propriétés anisotropes. Dans cette thèse, nous présenterons le développement et l'analyse de techniques avancées de fabrication permettant le contrôle précis de la synthèse d'un nanocomposite formé de nanoparticules d'or incluses dans une matrice de silice. Nous avons développé une technique en trois étapes permettant de fabriquer des couches nanocomposites comprenant des particules de tailles et de formes contrôlées. Ces étapes sont : 1) dépôt hybride pulvérisation/dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, 2) recuits thermiques, 3) irradiation à l'aide d'un faisceau d'ions de haute énergie. Subséquemment, la performance optique des matériaux fabriqués a été testée par différentes techniques afin d'en évaluer les propriétés linéaires et non-linéaires. Les premières ont été étudiées par ellipsométrie et spectrophotométrie alors que les deuxièmes l'ont été par les techniques P-Scan et Z-Scan. Plus précisément, nous nous sommes intéressés à la métrologie et au contrôle de l'anisotropie des propriétés du système nanocomposite formé par faisceau d'ions. Une nouvelle approche de mesure des propriétés optiques non-linéaires anisotropes sera présentée. Dans ce document, le lecteur retrouvera une description théorique exhaustive des propriétés optiques (linéaires et non-linéaires) des matériaux nanocomposites métal/diélectrique incluant des modèles détaillés pour la description des propriétés de chacun des constituants du nanocomposite : métal (Drude, Lorentz) et diélectrique (Cauchy).

Dans cette thèse, nous avons étudié d'un point de vue expérimental et numérique la dynamique et la structure des décharges de type streamer dans l'air à la pression atmosphérique. Deux configurations ont été étudiées: une décharge Nanoseconde Répétitive Pulsée (NRP) entre deux pointes dans l'air préchauffé et une Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) dans une configuration pointe-plan. Nous avons montré que les simulations de la dynamique de ces décharges sur des temps courts permettent d'obtenir des informations sur la structure et les propriétés de ces décharges observées expérimentalement, généralement sur des temps plus longs. Dans le cadre de cette thèse, du point de vue de la simulation des décharges, deux nouvelles approches ont été développées: pour le calcul de la photoionisation et pour la prise en compte d'électrodes de forme complexe dans des maillages cartésiens. Pour le calcul de la photoionisation dans l'air, le modèle intégral de référence requiert de longs temps de calcul. Dans ce travail, afin d'éviter de lourds calculs intégraux, nous avons développé plusieurs modèles différentiels qui permettent de prendre en compte la dépendance spectrale de la photoionisation, tout en restant simples et peu coûteux en temps de calcul. Parmi les modèles développés, nous avons montré que le modèle appelé SP3 3-groupes basé sur une approximation d'ordre 3 de l'équation de transfert radiatif était plus précis pour la simulation des streamers. Afin de prendre en compte des électrodes de forme complexe dans les simulations, nous avons adapté une méthode GFM (“Ghost Fluid Method”) pour résoudre l'équation de Poisson afin de calculer précisément le potentiel et le champ électrique près de l'électrode. Cette méthode nous permet de prendre en compte l'influence de la forme exacte de l'électrode dans un maillage régulier, et ce quelque soit la forme de l'électrode. Nous avons réalisé des simulations en géométrie pointe-pointe étroitement liées à de récents travaux expérimentaux concernant des décharges générées par NRP dans de l'air préchauffé. Nous avons étudié la dynamique de la décharge dans l'espace inter-électrode pour différentes températures de l'air et différentes tensions appliquées. Nous avons montré que la structure de la décharge dépendait fortement de la tension appliquée, ce qui est en bon accord avec les expériences. Dans la partie expérimentale de ce travail, nous avons étudié un comportement particulier des filaments de plasma dans une DBD pendant la demi-alternance positive de la tension appliquée. La dynamique des décharges est fortement affectée par la charge de surface déposée sur le diélectrique. Nous avons simulé une configuration pointe-plan avec un diélectrique plan sur la cathode dans le but de mieux comprendre l'influence de l'accumulation de la charge de surface sur l'allumage et la propagation de décharges successives dans une DBD. Dans ce travail, nous avons simulé la propagation d'un streamer initié près de l'anode jusqu'au diélectrique, ainsi que la formation d'une décharge de surface sur celui-ci. Nous avons ainsi déterminé les échelles de temps et les processus responsables de l'écrantage d'un filament de plasma et les conditions d'allumage des décharges successives. Les résultats obtenus sont en bon accord avec l'expérience.