Cette thèse présente une étude théorique de la structure électronique et de la tendance à l'ordre dans les nanoalliages de métaux de transition en se référant au cas des systèmes à base de cobalt-platine (CoPt) qui présentent un intérêt particulier dans les domaines du magnétisme et de la catalyse. Il est ainsi important de décrire au mieux l'évolution de la structure électronique en lien avec la structure atomique ou l'arrangement chimique en fonction de la taille de tels nanoalliages en vue de prédire des propriétés potentielles pouvant différer fortement de celles du matériau massif correspondant. Dans ce contexte, des calculs systématiques de DFT ont été mis en œuvre sur des systèmes modèles simples, alliages massifs, surfaces et nanoparticules, qui ont permis de montrer qu'une règle de neutralité de charge locale, par site espèce et orbitale, s'applique au système CoPt massif et s'étend aux nanoalliages. Sur cette base, des calculs auto cohérents de liaisons fortes ont été développés et ont permis de proposer un moyen précis de prédire les caractéristiques de nanoalliages réalistes, en termes de redistribution des états électroniques et de tendance à l'ordre. Les grandeurs caractéristiques déduites de ces calculs, telles que le désordre diagonal et non diagonal, peuvent être en effet être déterminées à partir de lois simples linéaires de variations des centres et des largeurs de bandes sur les sites Co et Pt. Les valeurs issues de ces lois peuvent être placées sur des cartographies de domaines de tendance à l'ordre et l'ensemble de la méthodologie devrait être étendue facilement à d'autres systèmes binaires. / The interest in alloys of late transition metals arises from their potential applications in high-density magnetic storage devices where they can be used as supported magnetic nanoparticle arrays and as stable, efficient and selective catalysts. The preparation of materials with optimal properties faces a number of technological and physical restrictions and requires an in-depth knowledge of the interplay between structural features on the atomic level and the desired macroscopic properties. In the thesis, after extensive discussion of Density Functional Theory and Tight Binding approaches the work focused on DFT calculations of bulk systems, surfaces and small clusters. The results allow to conclude on general validity of the method and especially to justify the local neutrality assumption in the case of low-coordinated sites in nanoparticles. Basic structural, magnetic and energetic properties were also studied and compared with the experimental data. Subsequently TB calculations were performed and verified with DFT results. The scope of the calculations was then extended for the case of nanoclusters of realistic sizes, unavailable in DFT. Local Densities of State on sites with different chemical environment and coordination numbers were analyzed. The observations prove that basic features of LDOS (d-band centre and d-band width) can be predicted by simple laws on the basis of two terms: a structural term represented by the linear function of the site coordination and a chemical term as a rigid shift which opens a new way to predict the ordering tendency (mapping of the ordering domains) for any transition metal nanoalloy as a function of its size.

Dans cette thèse, nous construisons un modèle de liaisons fortes tridimensionnel minimal pour les cuprates supraconducteurs monocouches à base de lanthane. Celui-ci prend en compte huit orbitales, dont deux d'entre elles impliquent les ions oxygène apicaux. L'optimisation des paramètres microscopiques permet de reproduire presque parfaitement la bande de conduction tridimensionnelle telle qu'elle a été obtenue à partir des calculs DFT. Nous discutons la façon dont chacun des paramètres entrant en jeu dans ce modèle multi-bandes influence la bande de conduction, et nous montrons que la forme particulière de sa dispersion contraint les valeurs des paramètres. Nous mettons alors en évidence que la détermination standard d'un modèle effectif à une bande au travers d'un traitement perturbatif converge lentement en raison de la valeur relativement faible du gap de transfert de charges. A ce stade, cela nous permet, en revanche, de lever le voile sur l'origine microscopique des amplitudes de saut des électrons au sein des plans et en-dehors des plans. Une approche alternative au calcul des paramètres microscopiques de saut du modèle effectif de liaisons fortes est présentée et mise à contribution. Il en résulte que l'accord avec la DFT est préservé à condition que les amplitudes de saut de plus longue portée soient conservées. Une comparaison avec les modèles existants est également effectuée. La surface de Fermi, mettant en exergue des domaines décalés qui alternent en taille et en forme, est comparée à l'expérience. De plus, la densité d'états du modèle est aussi calculée. Une analyse plus approfondie du modèle est réalisée au travers d'une étude en couplage faible des instabilités magnétiques. Les calculs sont effectués sur de grandes cellules et nous avons trouvé une compétition parmi plusieurs instabilités magnétiques tridimensionnelles dans la région d’intérêt du dopage en trous accessible expérimentalement. Bien qu'à notre connaissance cela ne semble pas avoir été évoqué expérimentalement, nous montrons à l'issue de notre étude, que la tendance du modèle à former des ondes de densité de spin incommensurables tridimensionnelles est la plus forte à proximité du dopage 1/8. / In this thesis, we construct a minimal three-dimensional tight-binding model for single-layer La-based cuprate superconductors. It entails eight orbitals, two of them involving apical oxygen ions. Parameter optimization allows to almost perfectly reproduce the three-dimensional conduction band as obtained from DFT. We discuss how each parameter entering this multiband model influences it, and show that the peculiar form of its dispersion severely constraints the parameter values. We then evidence that standard perturbative derivation of an effective one-band model is poorly converging because of the comparatively small value of the charge transfer gap. Yet, this allows us to unravel the microscopical origin of the in-plane and out-of-plane hopping amplitudes. An alternative approach to the computation of the tight-binding parameters of the effective model is presented and worked out. It results that the agreement with DFT is preserved provided longer-ranged hopping amplitudes are retained. A comparison with existing models is performed, too. The Fermi surface, showing staggered pieces alternating in size and shape, is compared to experiment. The density of states is calculated as well. The model is further analyzed through a weak coupling study of magnetic instabilities. It is performed on large clusters and competition between several three-dimensional magnetic instabilities in the hole-doping region of experimental interest is found. We show that the tendency to form a three-dimensional incommensurate spin density wave is strongest in the vicinity of 1/8 doping.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La combinaison des effets de taille et d'alliage dans les particules bi-métalliques permet d'exalter leurs propriétés ou d'en susciter de nouvelles. La mise en évidence de tels effets dans des particules nanométriques d'alliage cobalt-rhodium a motivé cette étude. Ce travail est ainsi consacré à l'analyse de leur structure fine et de son évolution avec la composition et les conditions de la synthèse, susceptibles d'expliquer leur comportement magnétique. L'étude expérimentale s'appuie sur une large combinaison de techniques, principalement la microscopie électronique à haute résolution et la diffusion des rayons X aux grands angles. Nous avons notamment montré la brusque augmentation de la distance interatomique avec l'introduction d'une faible quantité de rhodium. Ce résultat, ainsi que ceux obtenus par des techniques sélectives en éléments comme l'EXAFS, sont en accord avec une ségrégation du cobalt en surface. L'étude théorique est basée sur un modèle de potentiel semi-empirique à N-corps. Les calculs en Monte-Carlo Metropolis confirment la ségrégation du cobalt en surface ainsi que les principaux résultats structuraux. Enfin la dernière partie de ce travail est consacrée à l'étude structurale de particules d'alliages de cobalt, de morphologies et assemblages contrôlés, destinées à des applications en microélectronique.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse a pour objet l'étude des propriétés de transport électronique des nanotubes de carbone soumis à des pressions hydrostatiques de l'ordre du gigapascal. L'originalité de ce travail réside dans le fait d'étudier ces propriétés sur des nanotubes individuels. Ceci permet de simplifier la géométrie du système et de faire apparaître des comportements propres à chaque type de nanotubes. Le cas d'un nanotube multifeuillets composé d'un tube externe à faible bande interdite et d'un tube interne métallique a permis d'observer i) l'évolution sous pression de la barrière de Schottky aux contacts or-nanotube, ii) l'évolution de la résistance inter-feuillet, mettant en évidence une transition associée au changement de section du nanotube, iii) la diminution de l'hystérésis en tension de grille. D'autre part, une étude systématique sur des nanotubes métalliques permet de faire ressortir un comportement général pour le contact or-nanotube sous pression, indépendant de la chiralité du nanotube et du milieu transmetteur de pression. Nombre de ces effets peuvent être utilisés pour des applications électroniques ou électro-mécaniques, tels que des capteurs de pression miniatures et environ dix fois plus sensibles que certains standards actuels. Un modèle simple de calculs par la méthode des liaisons fortes est aussi mis en œuvre afin de prédire l'évolution des propriétés électroniques des nanotubes de carbone sous pression en fonction de leur chiralité. Ce modèle permet de prédire d'autres phénomènes qui pourraient être observés grâce à une étude approfondie et systématique utilisant la méthode expérimentale développée au cours de cette thèse / This thesis focuses on the electronic transport properties of carbon nanotubes under hydrostatic pressures as high as one gigapascal. The originality of this work is the study of these properties on individual nanotubes. This simplifies the geometry of the system and allows studying the behaviour of each type of nanotubes. The case of a multiwalled nanotube made of at least an external semiconducting tube and an internal metallic one led us to observe i) a pressure induced change of the Schottky barrier at the gold-nanotube contacts, ii) a evolution of the intershell resistance, featuring a transition associated to the change of the nanotube cross section, iii) the decrease of the gate voltage hysteresis. Additionally, a systematic study on metallic nanotubes allowed pointing out a general behaviour of the gold-nanotube contact under pressure, which is independent on the nanotube chirality and on the pressure transmitting medium. Many of these effects can be useful to design electronic or electro-mechanical devices, such as miniature pressure sensors that would be about ten times more sensitive than some of today's standards. A simple tight-binding model is also applied to predict the evolution of the carbon nanotube electronic properties under pressure with respect to their chirality. This model allows predicting other phenomena, which could be observed in the context of a deeper and systematic study using the experimental method that was developed in this thesis.

Ce travail de thèse propose de déterminer, en utilisant le formalisme des liaisons fortes, la relation entre les structures atomique, chimique et électronique des nanoalliages en se focalisant sur deux systèmes, archétypes d'une forte tendance à l'ordre (Cobalt-Platine - CoPt) d'un côté et d'une forte tendance à la démixtion (Iridium-Palladium - IrPd) de l'autre. Concernant les alliages CoPt et IrPd, l'évolution des caractéristiques des densités d'états locales (DEL) en fonction de la coordination de site (effet structural), de l’environnement chimique (effet d’alliage) et de la taille des systèmes a été analysée en détail. CoPt et IrPd ont un comportement tout à fait similaire en ce qui concerne les décalages de bandes d, ce qui s'explique par une règle de conservation de charge par espèce, par site et par orbitale entre systèmes mixtes et systèmes purs. Dans les nanoparticules pures d’Ir et de Pd, les centres de bandes d varient linéairement avec la coordination indépendamment de la taille. Le même comportement est observé pour les nanoalliages d’IrPd, la droite correspondant aux nanoalliages étant seulement décalée rigidement par rapport aux nanoparticules pures. Ce découplage entre effet structural et chimique, déjà observé dans les nanoalliages de CoPt, est ici généralisé car il s'applique quelle que soit la tendance chimique du système à l'ordre ou à la démixtion. Concernant la tendance chimique, le CoPt reste un système avec une tendance à l'ordre quelle que soit sa configuration, de même pour l'IrPd qui reste à la démixtion quelle que soit la configuration et quelle que soit la taille dans le cas des nanoalliages. Nous avons exploré plus finement le cas des alliages dilués, dans le cas de systèmes à base d'AuNi. On trouve, dans ce cas, un changement de tendance, en passant de la séparation de phase pour les systèmes concentrés à une tendance à l’ordre pour les systèmes dilués, incluant les systèmes de couches minces en surface. Des études complémentaires de Monte Carlo, en réseau rigide puis incluant les déplacements atomiques, montrent que les nanoparticules d'IrPd adoptent une structure cœur-coquille avec un cœur excentré malgré le faible effet de taille atomique entre les atomes de Pd et d'Ir. / The purpose of this thesis work is to determine, by using the tight-binding formalism, the link between atomic, chemical and electronic structures of nanoalloys focusing on two systems, characteristic on one hand of a strong order tendency (cobalt-platinum, CoPt) and, on the other hand, of a strong tendency to phase separation (iridium-palladium, IrPd). For both CoPt and IrPd, the evolution of the local densities of states (LDOS) as a function of the site coordination (structural effect), the chemical environment (alloy effect) and the size of the systems has been analyzed in detail. CoPt and IrPd have a same behavior concerning the d band shifts which is explained by a rule of charge preserving per species, per site and per orbital between mixed systems and corresponding pure systems. In pure Ir and Pd nanoalloys, the d band centers are found to vary linearly with the site coordination. In IrPd, a linear behavior is also observed, the corresponding line being only rigidly shifted with regards to the pure materials. This decoupling between structural and chemical effects, already observed for CoPt nanoalloys, is here generalized since it applies regardless the tendency of the system to order or to phase separate. Concerning the chemical tendency, CoPt remains a system with order tendency whatever the atomic configuration. In the same way, IrPd remains a system with a tendency to phase separation on the whole range of studied configurations although not so clearly defined in the dilute alloys. We have therefore investigated another dilute systems based on AuNi. In this case, a change of trend is observed going from phase separation for concentrated systems to order tendency for dilute systems, including thin layers at surfaces. Complementary structural studies have been performed by using Monte Carlo simulations, first on a rigid lattice and then including atomic displacements. The results show that nanoparticles of IrPd are core-shell with a strong Pd segregation at the surface. The core of nanoparticle is generally off-centered despite the very small atomic size effect between Pd and Ir atoms.

On appelle nanoalliages les nanoparticules d'alliages, leur composition chimique et leur taille en modifient les propriétés physico-chimiques. La relation entre structure et propriétés est intéressante pour la différence existant entre les propriétés du volume et celles du nanoalliage. Comme les alliages volumiques, caractérisés par un diagramme de phase en température et concentration, les nanoalliages sont étudiés pour déterminer un diagramme de phase en fonction de la concentration, la température, la taille et la forme. Les nanoparticules de CoPt ont un intérêt pour le développement du stockage magnétique à haute densité nécessitant une forte anisotropie magnétique telle qu'existant dans la phase volumique L10. L'expérience a montré que pour des nanoparticules de CoPt de 2-3nm la phase L10 existe. Des études théoriques, tenant compte des relaxations du réseau, ont confirmé l'existence d'agrégat de type polyèdre de Wulff présentant un tel ordre sur un réseau cfc.Nous proposons une étude théorique de l'alliage CoPt, utilisant un modèle énergétique simple, le modèle d'Ising en liaisons fortes, reproduisant l'ordre en volume et les trois moteurs de la ségrégation de surface (effets d'alliage, de surface et de relaxation atomique). Les analyses statistiques conduites à partir de simulations Monte Carlo dans les ensembles canonique et semi-grand canonique caractérisent un diagramme de phase de volume et de nanoalliage. Dans l'ensemble semi-grand canonique on s'intéresse à la synergie entre l'ordre au coeur et la ségrégation de surface du système CoPt. L'ordre à courte et longue distance a été caractérisé au cœur de l'agrégat et nous en avons étudié la frustration. / Nano-alloys are commonly the name given to nano-particles of alloys. The size and chemical composition of nano-alloys affect physical and chemical properties. Relation between structure and properties is interesting for the difference of bulk and nano-alloys properties. As bulk alloys which are characterised by phase diagram (in concentration and temperature), nano-alloys can be studie to determine a phase diagram in function of concentration, temperature, size and shape. CoPt nano-particles are interesting for the development of ultra-high density magnetic memories which require strong magnetic anisotropy as it exists in the L10 bulk phase. It has been shown experimentally the CoPt nano-alloys order with the L10 structure exist for the small size (2-3nm). Theoretical studies, using model taking into account the lattice's relaxations have confirmed the ordering of the fcc nano-particles with a Wulff polyhedron (WP) shape. We propose a theoretical study focus on CoPt WP, use a simple energetic model the Tight Binding Ising Model which reproduce the bulk ordering and the three driving surface segregation force (alloying, surface and atomic relaxation effect). Statistical analysis are conducted using a Monte Carlo simulation in the canonical and semi-grand canonical ensemble to characterize a phase diagram for bulk and nano-particles. In the semi-grand canonical ensemble we are interested on the synergy or competition between cluster core ordering and surface segregation of CoPt system. We characterised the order (short and long distance) at the core of the cluster and we studied frustration of the ordering.

Les supercondensateurs sont des systèmes de stockage et de conversion de l'énergie électrochimique dont les densités de puissance et d'énergie sont supérieures à celles des batteries et des condensateurs diélectriques. L’optimisation de leurs performances requiert l’utilisation de matériaux d’électrode à grande surface spécifique tels que les carbones poreux. En particulier, il est possible d’obtenir des systèmes microporeux de porosité prédéterminée par la synthèse de répliques carbonées de zéolithes. Simuler un supercondensateur à l’échelle atomique permettrait de guider le choix des matériaux le composant. Nous avons étudié un système modèle comprenant deux électrodes en réplique carbonée de zéolithe Faujasite ainsi que d’un électrolyte représenté par un système de sphères chargées. Des calculs en Liaisons Fortes de la structure électronique de la matrice carbonée fournissent la distribution de charge dans les électrodes. L’adsorption des ions dans la porosité est étudiée via des simulations Monte Carlo, dans lesquelles les interactions entre ions sont traitées par l’intermédiaire de la méthode de la sommation d’Ewald pour la partie électrostatique, et par un potentiel de Lennard-Jones pour la partie chimique. Les charges sont redistribuées de façon auto-cohérente au cours de la simulation, et la matrice poreuse est relaxée sous l’influence de l’électrolyte. Nous avons pu ainsi mettre en évidence la façon dont les différents éléments (ions, atomes de carbone), et donc la charge, se répartissent à l’interface entre électrode et électrolyte. / Electric double-layer capacitors, also known as supercapacitors, are electrochemical capacitors that have an unusually high energy density compared to that of usual high-capacity electrolytic ones. Being generally admitted that storage density is improved through the use of a nanoporous materials, a good way to optimize supercapacitors, which require carbon materials, is to synthesise carbon replica with predetermined porosity from microporous materials such as zeolites. Modeling such supercapacitors at the atomic scale should help with the choice of its components. Our model system has both electrodes in zeolite carbon replica C-FAU, and has hard charged spheres as its electrolyte. Tight-binding calculations of the electronic structure of the carbon template give the charge distribution in the electrodes, while the absorption of the ions into the pores is studied through Monte Carlo simulations, in which the interactions between the ions are treated using Ewald summations for coulombic interactions and a Lennard-Jones short-range potential for chemical interactions. Relaxation of the electrodes under the influence of the electrolyte has been tested as well. This shows how charge and matter locate themselves at the electrode/electrolyte interface.

Le transport des ondes joue un rôle majeur dans les systèmes de communication comme le Wifi ou les fibres optiques. Les principaux problèmes rencontrés dans ces systèmes concernent la protection contre les intrusions, la consommation d’énergie et le filtrage modal. Nous proposons différentes expériences micro-ondes mettant toutes en œuvre une mise en forme des ondes, pour traiter ces problèmes. Dans une cavité micro-ondes, des états de diffusion particuliers sont générés en s’appuyant uniquement sur des mesures de transmission et sur le formalisme du temps de retard de Wigner-Smith. Ces états sont capables d’éviter une région déterminée de la cavité, de se concentrer sur un point particulier, ou de suivre une trajectoire d’une particule classique. Le filtrage de mode est mis en œuvre dans un guide d’ondes aux frontières ondulées et en présence de pertes dépendant de la position. Le profil du guide est choisi de façon à ce que les deux modes de Bloch qui se propagent encerclent un point exceptionnel. Cette trajectoire s’accompagne d’une transition non-adiabatique entre les deux modes et d'un filtrage asymétrique de ces modes. La thèse présente également des travaux liés à la problématique des algorithmes de « recherche quantique », notamment l’algorithme de Grover. Cette recherche est mise en œuvre dans un réseau en nid d’abeilles de résonateurs micro-ondes couplés, bien décrits par un modèle de liaisons fortes (le système constitue un analogue micro-ondes du graphène). Une expérience de preuve de principe propose la recherche de deux résonateurs distincts reliés au réseau. La loi d’échelle attendue pour cet algorithme est expérimentalement obtenue dans une chaîne linéaire / Transport of waves plays an important role in modern communication systems like Wi-Fi or optical fibres. Typical problems in such systems concern security against possible intruders, energy consumption, time efficiency and the possibility of mode filtering. Microwave experiments are suited to study this kind of problems, because they offer a good control of the experimental parameters. Thus we can implement the method of wave shaping to investigate atypical transport phenomena, which address the mentioned problems. Wave front shaping solely based on the transmission together with the Wigner-Smith time delay formalism allows me to establish special scattering states in situ. These scattering states avoid a pre-selected region, focus on a specific spot or follow trajectories of classical particles, so called particle-like scattering states. Mode filtering is induced inside a waveguide with wavy boundaries and position dependent loss. The boundary profiles are chosen in such a way that the two propagating modes describe an encircling of an exceptional point in the Bloch picture. The asymmetric mode filtering is found due to the appearing non-adiabatic transitions. Another part of my work deals with Grover’s quantum search. I put such a search into practice in a two-dimensional graphene-lattice using coupled resonators, which form a tight-binding analogue. In this proof of principle experiment we search for different resonators attached to the graphene-lattice. Furthermore, the scaling behaviour of the quantum search is quantified for a linear chain of resonators