Deux exemples de tunnels optiques sont étudiés par des méthodes de l'optique femtoseconde pour leurs propriétés propagatives. Le premier est une opale artificielle : un matériau de la famille des cristaux photoniques aux propriétés analogues dans le domaine optique à celles des semiconducteurs. Ils possèdent une bande interdite photonique (BIP) empêchant pour toutes les directions la propagation de photons dont l'énergie se trouve dans cette bande. Le second système est un bi-prisme en réflexion totale.<br> La première partie est consacrée aux opales : empilements réguliers de sphères de silice submicrométriques. Chaque phase de l'élaboration est en revue. Une description théorique des propriétés des cristaux photoniques est faite pour plusieurs structures. On en déduit que les opales n'ont pas de BIP mais une "stop-band" inhibant la transmission des photons dont la bande d'énergies dépend de la direction. Les caractéristiques structurelles, mises en relation avec les propriétés spectrales, sont abordées par des méthodes microscopiques et optiques. Un dispositif de temps de vol a été réalisé pour déterminer les propriétés propagatives d'opales sondées par un continuum en utilisant un fenêtrage temporel par absorption à deux photons dans du ZnS. Après des corrections en fréquence et en temps, on dispose du profil spectral de vitesse de groupe. Celui-ci est expliqué par un modèle basé sur la relation de Kramers-Krönig. Cela permet de décrire la "stop-band" comme un système à "deux niveaux photoniques".<br> La dernière partie est dédiée à l'étude de la transposition en optique d'un nouvel effet prédit dans les conditions de l'effet tunnel : "l'évaporation quantique". Il se manifeste par l'augmentation drastique de la transmission d'un paquet d'onde. Il se produit en transférant à l'instant de la réflexion une petite quantité de mouvement au paquet d'onde. Un bi-prisme en réflexion totale séparé par une lame d'air est employé pour reproduire les conditions de cet effet. On utilise une technique pompe-sonde qui simule le transfert de moment par effet Kerr. Après analyse des effets en compétition avec l'évaporation quantique, nous observons des signaux qui, une fois traités selon des critères précis, ont les caractéristiques de l'effet recherché. Ceci constitue une présomption de la première observation en optique de ce nouvel effet.

Ce travail se divise en deux parties : la première concerne l'étude des structures périodiques planaires associées aux antennes et la seconde, les structures périodiques conformes. Même si la première partie est un sujet étudié depuis plusieurs années, cette thèse apporte une analyse nouvelle (source placée à l'intérieur de la structure, méthode basée sur la théorie des réseaux...) et de nouveaux résultats (lieux de résonance et extrema, obtention de structures avec la dualité des bandes interdites et propagées, adaptation d'une antenne insérée dans une structure périodique planaire, ouverture angulaire en fonction de la fréquence...). Les structures périodiques conformes sont par contre nouvelles. Il est fait une étude systématique de ces structures. L'application principale de la thèse est un projet RNRT dont l'objectif est de réaliser des antennes pour station de base GSM-UMTS. Une antenne utilisant une structure périodique conforme et répondant au cahier des charges, a été conçue.

La dépendance en température des spectres optiques des semi-conducteurs est discutée en fonction de la variation des énergies propres électroniques induite par l’interaction électron-phonon. Une démonstration formelle de la théorie de Allen-Heine-Cardona (AHC), la plus populaire dans le domaine, est présentée. Cette théorie est basée sur la théorie des perturbations et les approximations adiabatique, harmonique et des ions rigides. Une revue complète des applications semi-empiriques de cette théorie est aussi incluse dans ce document. Un nouveau formalisme ab initio basé sur la théorie des perturbations de la fonctionnelle de la densité (DFPT) est développé dans cette thèse. Ce formalisme est implémenté dans la distribution ABINIT. Dans cette nouvelle formulation, les fonctions d’onde de premier ordre sont déterminées grâce au principe variationnel et ne sont donc pas construites à partir des fonctions d’onde non perturbées, comme c’est le cas pour la théorie AHC. La théorie AHC présente une convergence lente sur le nombre d’états intermédiaires inclus dans la simulation : il faut inclure 2000 états pour un traitement adéquat de la molécule de H2 et 400 états pour le silicium. Le formalisme DFPT, quant à lui, ne nécessite que l’inclusion des états étudiés, ce qui mène à une diminution du temps de calcul par un facteur 20. Pour les molécules diatomiques,les résultats obtenus reproduisent ceux provenant de la méthode des différences finies. Pour le silicium, les résultats des études semi-empiriques antérieures sont retrouvés. Par contre, dans le cas du diamant, les résultats sont grandement sous-estimés. Ceci semble provenir de l’utilisation de la LDA. La méthode des différences finies utilisée dans le cas des molécules diatomiques a permis l’évaluation directe de la validité de l’approximation des ions rigides en évaluant le terme de Debye-Waller non diagonal (NDDW). Le terme NDDWcontribue entre 11 % pour la molécule de CO et 60 % pour la molécule de LiF ce qui signifie que l’approximation des ions rigide n’est pas valide. Cette approximation est donc perçue comme étant la cause du mauvais accord entre les observations expérimentales et les simulations théoriques pour les semi-conducteurs cristallins. / The thermal corrections to the optical spectra of semiconductors are discussed interms of the variation of the single electron eigenenergies and the electron-phonon coupling. A formal derivation of the leading Allen-Heine-Cardona theory is presented. This theory is based on standard perturbation theory within the adiabatic, the harmonic and rigid-ion approximations. A full review of the successful application of this theory in the semi-empirical literature is also included. A new ab initio formalism based on DFPT is developed and implemented in the ABINIT package. In this new formulation of the theory of the electron-phonon coupling, the first-order wave functions are determined by a variational principle and are thus not constructed using the unperturbed wave functions. This is in contrast to the Allen- Heine-Cardona theory in which a slow convergence on the number of included states his observed : one must include 2000 states for the correct treatment of H2 and 400 states for silicon. Using the DFPT formalism with only 10 bands yields a decrease in calculation times by a factor of 20. This new implementation of the DFPT formalism was tested using the cases studies of diatomic molecules, silicon and diamond. The results obtained for the diatomic molecules reproduce finite difference calculations up to the numerical error present in the finite difference approach. The procedure reproduces the result of previous semi-empirical studies for silicon but underestimates drastically the electron-phonon coupling in diamond. This is shown to originate from the LDA. Finally, the finite difference method used in the diatomic molecules permitted the direct evaluation of the validity of the rigid-ion approximation by evaluating the non-site-diagonal Debye-Waller term. It was found that this term partially cancels the sum of the site-diagonal Debye-Waller and Fan term. It contributes from 11 % of this sum for CO to 60 % for LiF and is by no means negligible in any system considered. The mismatch between experimental observations and theoretical simulations in crystalline semiconductors is thus believed to originate from this approximation. / Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Catholique de Louvain (Belgique)

Cette thèse s'inscrit dans la mouvance entourant les matériaux nanostructurés pour la photonique. Ces nouveaux composants, structurés à l'échelle de la longueur d'onde, offrent la possibilité de confiner le champ électromagnétique à une échelle très petite, ouvrant ainsi la voie à des composants optiques compacts. En outre, ces matériaux offrent également la possibilité de contrôler l'émission spontanée d'atomes émetteurs, et donc de concevoir des lasers à très bas seuil par exemple. Bien que les premières étapes visant à leur réalisation aient déjà été franchies, de nombreux problèmes subsistent. D'une part, ces matériaux étant structurés à l'échelle de la longueur d'onde, il est nécessaire pour les modéliser de résoudre les équations de Maxwell sans approximation. D'autre part, pour que ces composants puissent être utilisés en pratique, il faut parvenir à les connecter à d'autres composants optiques plus classiques. Malheureusement, le confinement du champ étant très différent entre ces deux types de composants, il survient immédiatement des pertes d'insertion élevées qui sont pressenties comme un verrou à lever pour les applications futures. C'est précisément sur ces deux problèmes que porte ma thèse. Dans la première partie, nous présentons une méthode originale de calcul de structures diffractives en optique guidée dérivée de la méthode modale de Fourier (RCWA). Cette nouvelle approche permet, en périodisant numériquement la structure que nous voulons étudier, d'appliquer des codes numériques développés à l'origine pour l'étude des réseaux de diffraction. Nous étendons ainsi de façon importante le champ d'application de la RCWA, lui permettant par exemple de calculer les caractéristiques de miroirs de Bragg ou de cavités intégrées. Dans la seconde partie, nous nous attaquons au problème des pertes d'insertion en développant des convertisseurs modaux efficaces pour des miroirs de Bragg intégrés courts. Pour ce faire, nous déformons progressivement le mode de Bloch fondamental du miroir en imposant au convertisseur un gradient d'indice complexe. Nos calculs numériques montrent que ces convertisseurs modaux peuvent être très courts, ouvrant ainsi la voie à la réalisation pratique de cavités courtes et à faibles pertes. Cette approche est validée pour des cavités fabriquées dans un substrat de silicium sur isolant.

Ce travail porte sur la spectroscopie magnéto-optique de semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS) : ZnO et GaN dopés manganese, fer et cobalt. Les deux semi-conducteurs hôtes, ZnO et GaN ont une grande bande interdite, une structure wurtzite, une faible interaction spin - orbite et une forte interaction d'échange excitonique entre trous et électrons. En présence de champs magnétiques, les ions magnétiques induisent un effet Zeeman géant dont l'interprétation est complexe : les excitons s'anti-croisent et leurs énergies de transition et leurs forces d'oscillateur sont fortement influencées par l'effet Zeeman géant.<br />On a mesuré expérimentalement le splitting Zeeman géant des excitons A et B avec des couches epitaxiées sur saphir (0001) et une propagation de la lumiere parallele a l'axe c du cristal et au champ magnétique (configuration Faraday). Le splitting Zeeman géant diminue avec la température et augmente non linéairement avec le champ magnétique en accord avec l'aimantation calculée des spins isolés. Une analyse quantitative nous a permis d'analyser les propriétés magnétiques et de mesurer les intégrales d'échange pour l'ensemble des matériaux étudiés. Pour des ions avec une configuration d5 (Mn2+ et Fe3+), l'aimantation suit une fonction de Brillouin, mais pour les configurations d7 et d4 (Co2+ ou Mn3+) l'interaction spin-orbite et le champ cristallin trigonal induisent une aimantation anisotrope, en accord avec l'analyse des transitions internes des ions mesurées en spectroscopie infrarouge. Pour (Ga,Mn)N, et (Ga,Fe)N, nous avons trouvé un signe positive pour l'intégrale d'échange entre trous et spins localisés (beta). En supposant une symétrie de la bande de valence dans ZnO correspondant a une interaction spin-orbite positive (Gamma_9, Gamma_7, Gamma_7), nous trouvons un signe négative de beta pour (Zn,Co)O, et beta est de pres de zéro pour (Zn,Mn)O. Toutefois, dans l'hypothese avec spin-orbite négative, nous trouvons un signe positif de beta. Les signes et les valeurs des intégrales d'échange déterminées a partir de nos mesures magnéto-optiques ne peuvent pas etre expliqués par des tendances matérielles et des modeles basés sur l'approximation de cristal virtuel. Ceci suggere que l'échange p-d en DMS a large bande interdite, soit dans le régime de couplage fort, et la nature de splitting Zeeman géant observé est différente qu'en semi-conducteurs magnétiques dilués classiques.

Ces dernières années, un nouveau type de polymère donneur d’électron pour des applications photovoltaïques a été étudié de manière intensive, les copolymères à faible bande interdite. Ils sont constitués d’un groupement riche en électron (ER) et d’un groupement pauvre (EP) permettant de contrôler les orbitales frontières et d’induire une délocalisation de l’exciton généré lors du processus de photo-excitation. Une large variété de dispositifs est basée sur ces copolymères avec des rendements d’environ 10% et, pour accroitre leur efficacité, il est nécessaire d’avoir une meilleure compréhension de ces polymères pendant le phénomène de photo-absorption. La chimie théorique apparait comme un outil permettant de prédire différentes propriétés optoélectroniques. Au cours de ce travail, nous avons utilisé la théorie de la fonctionnelle de la densité indépendante (DFT) et dépendante du temps (TD DFT) pour simuler les propriétés optiques d’oligomères de taille croissante avec différents groupements ER et EP. Les propriétés optiques des polymères correspondant ont été extrapolées à l’aide du modèle de Kuhn. Ce criblage théorique nous a permis de sélectionner des systèmes prometteurs à base de benzodithiophène, de benzothiadiazole et de benzofurazane qui ont ensuite été synthétisés par couplage de Stille. Les polymères et oligomères obtenus ont été caractérisés par spectroscopie UV-visible et de fluorescence, chromatographie d’exclusion stérique et par RMN dans le but d’observer des relations structure-propriétés et de faire des corrélations entre résultats expérimentaux et théoriques. / During the last decade, a new kind of donor polymers for photovoltaic application have been intensively studied, the low band-gap polymers. They are based on repeating units associating two different moieties, one electron-rich (ER) and one electron-poor (EP), which allow to finely tune the molecular orbitals and to induce a delocalization of the exciton generated upon the photo-excitation process. A large variety of devices are based on such low band-gap polymers, with a power conversion efficiency record around 10%, and, to increase the efficiency, it is necessary to have a better understanding of these polymers during the photo-absorption phenomenon. Computational chemistry isa powerful tool that permits to predict different opto-electronic properties. For this work, we used Density Functional Theory and Time-Dependent Density Functional Theory to compute the optical properties of increasingly large oligomers involving various ER and EP subunits. The optical properties in the polymer limit were then estimated for the different systems by using an extrapolation scheme based on the Kuhn equation. This theoretical screening allowed us to select promising candidates based on benzodithiophene, benzothiadiazole and benzofurazan for syntheses, which were performed by a Stille coupling. The obtained polymers and size-controlled oligomers were further characterized by UV visible spectroscopy, fluorescence, size exclusion chromatography and NMR, in order to extractstructure-properties relationships and correlate experimental results to theoretical data.

Nous nous intéresserons aux graphes avec conflits (un conflit est une paire d’arêtes ne pouvant pas simultanément faire partie d’un même sous-graphe), dans lesquels nous étudierons différents types de problèmes liés à l’existence de sous-graphes sans conflit, de nature aussi bien algorithmique que combinatoire, notre ligne directrice étant la notion de connectivité. Nous verrons que plusieurs résultats, simples sans conflit, ne le sont plus lors de l’ajout de conflits. Nous présenterons : des algorithmes exacts (non polynomiaux), des résultats de \mathcal{N P}-complétude, et des conditions suffisantes assurant l’existence de certains objets (arbre couvrant, chemin et cycle hamiltonien) sans conflits. / We will look at graphs with conflicts (conflict is a pair of edges can not simultaneously be part of the same subgraph), in which we will study different types of problems related to the existence of subgraphs without conflict. The nature of the problems is both combinatorial and algorithmic. Our guideline is the notion of connectivity. We will see several results, simple without conflict, are no longer when adding conflicts. We will present exact algorithms (not polynomial), \mathcal{N P}-completeness results and sufficient conditions ensuring the existence of certain objects (spanning tree, path and Hamiltonian cycle) without conflict.

L’alliage germanium-étain est un semiconducteur qui suscite une grande attention en raison de ses propriétés électriques et optiques. L’incorporation de Sn dans le germanium permet d’ajuster la largeur de bande interdite (gap) et d’améliorer la mobilité des électrons et des trous, et pour une quantité suffisante d’étain, le matériau passe d’un gap indirect à direct. Cet alliage est versatile parce qu’il peut être intégré d’une façon monolithique sur le Si, c’est ce qui en fait un matériau idéal dans les domaines de l'optoélectronique à base de silicium. Cette thèse est sur la fabrication et la caractérisation de nanofils cristallins Ge1-xSnx à haute concentration en Sn. Des nouvelles stratégies ont été employées pour fabriquer de nombreux types de nanofils GeSn. Les résultats ont été expliqués en fonction des modèles cinétiques existants. Un nouveau mécanisme de croissance y est décrit: le mécanisme solide-solide-solide – SSS. Il consiste à faire croître des nanofils de GeSn dans le plan du substrat à l’aide de catalyseurs d’étain à une température inférieure au point de fusion de Sn. Quatre modèles de transport de masse sont proposés pour le mécanisme de croissance du SSS. Diverses caractérisations (par exemple TEM et APT) ont été effectuées pour étudier les propriétés physiques, et chimiques des nanofils. / Germanium-Tin alloy is a unique class semiconductor gaining a strong attention because of its significant electrical and optical properties. Sn incorporation in Ge allows straightforward band-gap engineering enabling to enhance the electron and hole mobilities, and for a sufficient Sn amount an indirect-to-direct band-gap transition occurs. Its versatility rises due the possible monolithic integration on Si-platforms making it an ideal material in domains of optoelectronics, and high speed electronic devices. This thesis has focused on the fabrication and characterization of crystalline Ge1-xSnx nanowires with high Sn concentrations. New strategies were designed to fabricate many types of GeSn nanowires. The results have been explained as function of the existing kinetic models. A new growth mechanism was reported (i.e. Solid-Solid-Solid mechanism – SSS), it consists of growing in-plane GeSn nanowires using Sn catalysts below the melting point of Sn. Four mass transport models were proposed for the SSS growth mechanism. Various characterizations (e.g. TEM and APT) were done to investigate the physical and chemical properties of the obtained nanowires.

Tous les problèmes définissables en logique du second ordre monadique peuvent être résolus en temps polynomial dans les classes de graphes qui ont une largeur de clique bornée. La largeur de clique est un paramètre de graphe défini de manière algébrique, c'est-à-dire, à partir d'opérations de composition de graphes. La largeur de rang, définie de manière combinatoire, est une notion équivalente à la largeur de clique des graphes non orientés. Nous donnons une caractérisation algébrique de la largeur de rang et nous montrons qu'elle est linéairement bornée par la largeur arborescente. Nous proposons également une notion de largeur de rang pour les graphes orientés et une relation de vertex-minor pour les graphes orientés. Nous montrons que les graphes orientés qui ont une largeur de rang bornée sont caractérisés par une liste finie de graphes orientés à exclure comme vertex-minor. Beaucoup de classes de graphes n'ont pas une largeur de rang bornée, par exemple, les graphes planaires. Nous nous intéressons aux systèmes d'étiquetage dans ces classes de graphes. Un système d'étiquetage pour une propriété P dans un graphe G, consiste à assigner une étiquette, aussi petite que possible, à chaque sommet de telle sorte que l'on puisse vérifier si G satisfait P en n'utilisant que les étiquettes des sommets. Nous montrons que si P est une propriété définissable en logique du premier ordre alors, certaines classes de graphes de largeur de clique localement bornée admettent un système d'étiquetage pour P avec des étiquettes de taille logarithmique. Parmi ces classes on peut citer les classes de graphes de degré borné, les graphes planaires et plus généralement les classes de graphes qui excluent un apex comme mineur et, les graphes d'intervalle unitaire. Si x et y sont deux sommets, X un ensemble de sommets et F un ensemble d'arêtes, nous notons Conn(x,y,X,F) la propriété qui vérifie dans un graphe donné si x et y sont connectés par un chemin, qui ne passe par aucun sommet de X si aucune arête de F. Cette propriété n'est pas définissable en logique du premier ordre. Nous montrons qu'elle admet un système d'étiquetage avec des étiquettes de taille logarithmique dans les graphes planaires. Nous montrons enfin que Conn(x,y,X,0) admet également un système d'étiquetage avec des étiquettes de taille logarithmique dans des classes de graphes qui sont définies comme des combinaisons de graphes qui ont une petite largeur de clique et telles que le graphe d'intersection de ces derniers est planaire et est de degré borné. / Every property definable in onadic second order logic can be checked in polynomial-time on graph classes of bounded clique-width. Clique-width is a graph parameter defined in an algebraical way, i.e., with operations ``concatenating graphs'' and that generalize concatenation of words.Rank-width, defined in a combinatorial way, is equivalent to the clique-width of undirected graphs. We give an algebraic characterization of rank-width and we show that rank-width is linearly bounded in term of tree-width. We also propose a notion of ``rank-width'' of directed graphs and a vertex-minor inclusion for directed graphs. We show that directed graphs of bounded ``rank-width'' are characterized by a finite list of finite directed graphs to exclude as vertex-minor. Many graph classes do not have bounded rank-width, e.g., planar graphs. We are interested in labeling schemes on these graph classes. A labeling scheme for a property P in a graph G consists in assigning a label, as short as possible, to each vertex of G and such that we can verify if G satisfies P by just looking at the labels. We show that every property definable in first order logic admit labeling schemes with labels of logarithmic size on certain graph classes that have bounded local clique-width. Bounded degree graph classes, minor closed classes of graphs that exclude an apex graph as a minor have bounded local clique-width. If x and y are two vertices and X is a subset of the set of vertices and Y is a subset of the set of edges, we let Conn(x,y,X,Y) be the graph property x and y are connected by a path that avoids the vertices in X and the edges in Y. This property is not definable by a first order formula. We show that it admits a labeling scheme with labels of logarithmic size on planar graphs. We also show that Conn(x,y,X,0) admits short labeling schemes with labels of logarithmic size on graph classes that are ``planar gluings'' of graphs of small clique-width and with limited overlaps.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés d'abord au mécanisme de résonance locale en développant différents modèles théoriques pour l'étude de nouveaux cristaux phononiques à résonance locale (CPRL) en plaque dont l'élément principal et l'élastomère (silicone rubber). Le mode opératoire de ce mécanisme a été étudié et les ouvertures des bandes interdites ont été interprétées théoriquement ainsi que les phénomènes physiques mis en jeu. La mise en évidence expérimentale de la bande interdite a été réalisée par la fabrication et la caractérisation de structures CPRL et une parfaite concordance a été constatée entre les résultats théoriques et expérimentaux. Une étude des phénomènes de guidage a permis par ailleurs de montrer la possibilité du confinement et de la transmission d'un seul mode élastique au niveau d'un CPRL. Dans un second temps, nous avons montré que les propriétés d'un CPRL peuvent être reproduites dans le régime hypersonique. En effet, par le biais de la mise en place d'un nouveau modèle théorique et en proposant un nouveau CPRL à ondes de surface à base de films de diamant, nous avons pu montrer que ce type de cristal peut faire l'objet d'applications potentielles à des fins de guidage et de démultiplexage et ainsi initier la conception de nouveaux dispositifs miniaturisés à ondes de surface destinés aux systèmes de télécommunications (>GHz). / In this PhD work, we focused our interest on the theoretical and experimental study of locally resonant phononic crystals (LRPC) operating in sonic and hypersonic regimes. We first developed numerical models to understand the dispersion behaviour of elastic waves in those plate-type LRPC in which the silicone rubber plays a key role. We showed that with such structure, we can understand clearly how the local resonance (LR) mechanism operates to give rise to opening of low frequency BG two orders of magnitude that the one allowed by Bragg diffusion. The physics behind such structures was also figured out by means of theoretical models. An experimental study was then undertaken by manufacturing a new LRPC plate which has been characterized in terms of elastic behaviour and BG investigation. A perfect concordance was demonstrated between the theoretical an experimental results by evidencing a 2kHz BG opening using a 6mm diameter rubber stub and 1cm periodicity. In addition, waveguiding phenomena was investigated in those structures and showed the possibility of guiding of only one defect mode unlike conventional PCs in which many defects modes are generated. A second part of this study was dealt with LR mechanism in hypersonic regime. Using a new numerical and theoretical approach, we were able to show the BG opening and waveguiding for surface acoustic waves (SAW) in a LRPC composed of metallic stubs arranged on a diamond semi-infinite substrate. The added value of LR in such frequency regime remains in its ability to select only one guided mode due to the longer involved wavelengths. Such structures can then be suitable for filtering and demultiplexing applications.