La première partie des travaux réalisés durant cette thèse a été dédiée à l'élaboration de composés de type LaFe13-xSix (1,2 < x < 2,3) par une méthode de synthèse qui, jusque là, n'avait pas encore été utilisée pour ce type de matériaux : la mécanosynthèse à haute énergie. Il a fallu déterminer les conditions de synthèse et de recuit optimales pour l'obtention d'échantillons monophasés. L'homogénéité de ces derniers a été systématiquement analysée par diffraction des rayons X et microsonde électronique. Les résultats ont montré qu'une microstructure plus fine favorise la formation de la phase désirée : un recuit de 30 minutes (au lieu de 30 jours pour les composés massifs) à 1373K sut à l'obtention d'un composé quasi-monophasé. Ceci représente un gain de temps non négligeable pour tous procédés industriels. D'après les mesures magnétiques eectuées, les composés synthétisés par broyage mécanique possèdent des propriétés magnétiques et magnétocaloriques similaires aux composés massifs. Ils présentent une transition métamagnétique des électrons itinérants induite par le champ ou la température. Leur température de Curie augmente avec le taux de Si, variant de 200K à 235K respectivement lorsque x varie de 1,4 à 2,0 alors que leur variation d'entropie magnétique diminue de 20 J/kg K à 4 J/kg K sous une variation de champ de 0-2 T. La deuxième partie de l'étude a consisté à améliorer les propriétés magnétocaloriques des composés intermétalliques en procédant à l'insertion d'atomes interstitiels tels que l'hydrogène ou le carbone. Conformément à la littérature, les mesures magnétiques ont montré une nette augmentation de la température de transition (jusqu'à température ambiante) dans les deux cas par effet magnétovolumique tout en conservant un eet magnétocalorique important. Les analyses par diffraction des neutrons en température effectuées sur les composés deutérés (hydrogénés) ont permis de suivre l'évolution des données cristallographiques ainsi que des moments magnétiques par atomes de Fe indépendamment des sites cristallographiques qu'ils occupent. Il ressort de cette étude que ces composés présentent un grand intérêt dans la recherche de futurs matériaux magnétocaloriques pour la réfrigération magnétique à température ambiante. Dans le cadre de l'exploration de nouveaux systèmes magnétocaloriques, les propriétés magnétiques et magnétocaloriques des composés Y1-xRxFe2D4;2 (R = Er et Tb) ont également été étudiés en couplant les analyses magnétiques avec les mesures de diffraction des neutrons en fonction de la température et du champ appliqué. Ces travaux ont mis en évidence l'influence importante de la nature et du taux de terre–rare substitué à l'yttrium sur l'eet magnétocalorique.

Les nanostructures organiques constituent un domaine d'étude très actif qui concerne potentiellement de nombreuses nanotechnologies. A l'interface Matériaux et Nanophysique, nous avons élaboré et étudié des nanofils hybrides polymère-métal en géométrie coaxiale. Cette géométrie permet notamment de profiter du renfort mécanique du coeur en métal pour pallier la faible tenue mécanique des nanofibres de polymères. Les nanofils élaborés ont un coeur en Nickel et une gaine en polyphénylvinylène (PPV), polymère photoluminescent. Nous avons également synthétisé des nanofils coaxiaux Polyméthylmetacrylate (PMMA) /PPV. La fabrication de ces nanofils combine les techniques d'imprégnation et de dépôt électrochimique à l'intérieur de nanopores (méthode template). La structure coaxiale de type coeur-gaine de ces nano-objets a été montrée par les techniques de microscopie électronique. Les effets physiques induits par la morphologie de ces nanofils coaxiaux (échelle nanométrique et structure coeur-gaine) sur leurs propriétés magnétiques et d'émission optique sont étudiés. L'examen des propriétés optiques révèle un décalage vers le bleu de la photoluminescence attribué à la nature tubulaire des nanofibres de PPV. La synthèse du coeur métallique engendre une perte importante de luminescence dont l'origine est discutée. Ces nanofils hybrides montrent un comportement ferromagnétique avec un axe de facile aimantation orienté suivant l'axe des nanofils. La manipulation magnétique et le transfert sur substrat de ces briques élémentaires multifonctionnelles ont été réalisés.

Cette thèse concerne l'étude de la dynamique de l'aimantation et du déplacement de parois de domaines induits par un courant polarisé en spin dans les nanofils magnétiques de NiFe/Cu/Co. Avant ces travaux, des mesures de transport ont prouvé que dans ce système à trois couches, les parois dans le NiFe peuvent être déplacées par des densités de courant relativement faibles, ce qui suggère une efficacité du transfert de spin particulièrement élevée. Le but de cette étude a été d'utiliser la microscopie à photoémission d'électrons combinée avec le dichroïsme circulaire magnétique de rayons X (XMCD-PEEM) à des sources de rayonnement synchrotron pour observer directement les configurations magnétiques dans les tricouches et leur évolution pendant et après l'application d'impulsions de courant ultracourtes. Une étape importante du travail a été d'optimiser la croissance des couches NiFe/Cu /Co, pour augmenter la qualité des interfaces et minimiser le couplage entre les couches magnétiques. Le processus de structuration des nanofils par la lithographie électronique a également été optimisé. Deux types de mesures ont été réalisés: i) mesures quasi-statiques, où la configuration de domaines est observée avant et après l'application d'impulsions de courant et ii) des mesures dynamiques, où la configuration magnétique a été observée lors de l'application d'impulsions de courant. Les premières mesures nous ont permis d'étudier le comportement statistique des parois pendant l'application d'impulsions de courant: d'une part, les vitesses des parois atteignent des valeurs extrêmement élevées pour les densités de courant relativement faibles (jusqu'à 600 m/s pour 5×10^11 A/m^2). D'autre part, le mouvement des parois sur des distances supérieures à 2-3 μm est fortement entravé par le piègeage. Nous avons identifié le piègeage des parois dans la couche de NiFe comme étant dû à des inhomogénéités cristallographiques dans la couche de Co, par l'effet magnétique dipolaire. Des mesures résolues en temps pendant les impulsions de courant, réalisées pour la première fois par notre équipe, nous ont permis de démontrer que l'aimantation de NiFe est fortement inclinée dans la direction transverse à la direction des nanofils, en raison de la présence d'un champ transversal Oersted. Cet effet pourrait contribuer à l'augmentation des vitesses des parois dans les couches de NiFe.

De nombreux micro-organismes vivants se propulsent en utilisant des cils ou des flagelles. Cette nage à petit nombre de Reynolds a fait l'objet de nombreuses études théoriques et expérimentales sur les organismes vivants. Toutefois il existe très peu de modèles physiques expérimentaux. Nous décrivons ici la construction des cils artificiels microscopiques actionnés par un champ magnétique. Ces cils artificiels ont en commun avec les cils réels un très grand allongement, une grande flexibilité et un mode d'actuation par couple réparti. Nous avons étudié les dynamiques de battement (planaire et tridimensionnel) de ces cils magnétiques. Nous avons également caractérisé les forces et les écoulements qu'ils induisent dans le fluide environnant.

La compréhension du comportement des matériaux en présence d'impuretés, durant le processus de solidification, nécessite le développement de méthodologies appropriées pour une analyse et un contrôle efficace des changements topologiques des microstructures (par exemple, la formation des dendrites) au cours des différentes phases de transformation. L'objectif de cette thèse est de construire un modèle pertinent de solidification d'alliages binaires sous l'action de champs magnétiques, d'analyser les systèmes issus du modèle mathématique ainsi développé, d'un point de vue théorique et numérique, et enfin de développer une méthode de contrôle optimal afin de contrôler la dynamique du front de solidification par l'action du champs magnétiques. Dans un premier temps, nous avons décrit la physique du problème et les lois fondamentales nécessaires à la modélisation, puis nous avons construit un nouveau modèle de champ de phase, qui tient compte de l'influence de l'action du champ magnétique sur le mouvement du front de solidification. Le modèle ainsi développé est caractérisé par le couplage de trois systèmes : un de type magnétohydrodynamique, un second de type Warren-Boettingger avec convection (représentant l'évolution du front de solidification et la concentration du mélange binaire) et un troisième représentant l'évolution de la température. Les équations du système complet décrivant le modèle, dans un domaine Ω inclus dans R^{n}, n ≤ 3, sont évolutives, non linéaires, couplées et anisotropes. Dans une seconde partie, nous avons effectué l'analyse théorique du modèle développé dans le cas isotherme et isotrope en dimension deux. Nous avons obtenu des résultats d'existence, de régularité, de stabilité et d'unicité d'une solution, sous certaines conditions sur des opérateurs non linéaires du système. Enfin, nous avons développé une méthode de contrôle optimal non linéaire : le champ magnétique (qui intervient sous forme multiplicative) joue le rôle de contrôle, et l'observation est l'état désiré de la dynamique du front. Nous avons démontré l'existence d'une solution optimale et obtenu la sensibilité de l'opérateur solution et les conditions d'optimalité en introduisant un problème adjoint. Cette partie théorique de la thèse est complétée par un important travail numérique. L'analyse et les simulations numériques ont été menées sur le problème complet bi-dimensionnel non linéaire (isotrope et anisotrope). Nous avons utilisé pour la discrétisation la méthode des lignes qui consiste à considérer séparément la discrétisation temporelle et spatiale. La discrétisation spatiale est effectuée par un schéma d'éléments finis mixtes et le système différentiel algébrique obtenu est résolu par l'utilisation du solveur DASSL. La discrétisation du domaine est effectuée par des mailles triangulaires non structurées. Dans le cas réaliste, elles correspondent à un maillage non uniforme et trés fin dans la zone de la dendrite et au niveau de l'interface. Nous avons obtenu des estimations d'erreur pour les différentes variables d'état du modèle et analysé la robustesse et la stabilité des schémas d'approximation. Ce code numérique a été validé sur différents exemples, et donne d'excellents résultats. Ensuite, nous avons exploité le code pour traiter un problème réaliste, à savoir la solidification dendritique d'un alliage binaire Nickel-Cuivre, et analyser l'influence de champs magnétiques sur l'évolution des dendrites. Les résultats obtenus montrent l'efficacité de l'approche à reproduire les observations expérimentales.

Le travail de thèse, présenté dans ce mémoire, est consacré à l'étude de nouveaux matériaux d'électrode négative pour batteries Li-ion et plus particulièrement aux phosphures d'éléments de transition (PET). En général, ces matériaux présentent des capacités massiques et volumiques de l'ordre de 600-1200mAh/g, très supérieures à celles des composés carbonés utilisés dans les dispositifs actuellement commercialisés. Les phases des deux systèmes binaires Fe-P et Ni-P ont été étudiées dans ce travail en tant qu'électrodes négatives pour les batteries Li-ion. Les phosphures de fer et de nickel présentent des performances et mécanismes électrochimiques vis-à-vis du lithium intéressants. Diverses méthodes de synthèse ont été employées pour obtenir des matériaux de morphologie, de structure et de stoechiométrie variées. Plusieurs techniques de caractérisation ont été employées pour analyser les mécanismes électrochimiques : diffraction des rayons X, spectroscopie XANES, spectroscopie Mössbauer de 57Fe, RMN 31P et mesures magnétiques. L'étude approfondie de la réactivité de ces phases vis-à-vis du lithium nous a permis d'expliquer leurs fortes capacités massiques par un mécanisme redox impliquant le phosphore. Une étude du rôle de la mise en forme de l'électrode sur les performances a été également menée.

L'étude des propriétés de transport dans les matériaux magnétiques a débuté dans les années 1950. Le magnétisme intrinsèque à ce type de solide représente une source de diffusion supplémentaire par rapport aux matériaux non-magnétiques qui vient s'ajouter aux phonons et aux impuretés ou défauts cristallins du réseau. L'étude de la diffusion magnétique est plus complexe que les deux précédentes sources diffusives énoncées. Car d'une part l'influence de la diffusion magnétique induit des comportements différents de résistivité dus au matériau, selon que ce dernier est un métal ou un semi-conducteur. D'autre part, le type de magnétisme porté par la structure est également à l'origine de différents comportements de la résistivité magnétique. Dès les années 1950 de nombreux auteurs se sont concentrés sur l'étude des métaux et semi-conducteurs magnétiques. Il résulte des différents travaux que chacune des théories s'applique à un cas particulier et ne peut pas rendre compte de l'ensemble des comportements susceptibles d'être observés expérimentalement. A titre d'exemple, la résistivité des métaux magnétiques présente une évolution monotone fonction de la température (seule la dérivée par rapport à la température présente une singularité), alors que les semi-conducteurs magnétiques présentent un pic à la température critique (Tc), température séparant les phases d'ordre et de désordre magnétique. Ajoutons que les différentes interprétations concernant la diffusion magnétique autour de la température critique est encore un point controversé. Aussi, les théories disponibles à ce jour concernant l'étude du transport dans les matériaux magnétiques doivent être choisies en fonction du matériau étudié (type de structure, métal ou semi-conducteur, type de magnétisme). Une méthode générale, capable de rendre compte de l'ensemble des comportements de la résistivité quelle que soit la nature du solide (métal ou semi-conducteur) et du type de magnétisme fait aujourd'hui cruellement défaut. C'est à ce manque que nous avons souhaité répondre en premier lieu dans le cadre de cette thèse. En effet, le développement spectaculaire de la spintronique repose sur l'utilisation des semi-conducteurs magnétiques qui ne peut faire fi d'une compréhension rigoureuse des mécanismes de diffusion autour de la température critique. Notre démarche a consisté à utiliser la méthode numérique Monte Carlo Métropolis afin d'étudier ce problème sous un angle nouveau. Nous avons ainsi construit un algorithme qui s'applique à un Hamiltonien assez général du système. Grâce à cet Hamiltonien et avec un jeu de paramètres d'entrées appropriées, nous sommes en mesure par le biais de la méthode Monte Carlo Métropolis de reproduire de façon générique les tendances expérimentales présentes dans la littérature pour des semi-conducteurs ferromagnétiques et antiferromagnétiques, frustrés et non-frustrés. Egalement, la méthode permet une étude systématique de matériaux caractérisés expérimentalement avec prise en compte des unités afin de réaliser des comparaisons directes entre nos résultats de simulations et les mesures expérimentales, avec un bon accord de forme et de grandeur, par exemple dans le cas du semi-conducteur magnétique MnTe. Si cette thèse se limite à l'étude de matériaux semi-conducteurs, nos perspectives vont consister à étendre l'étude aux systèmes dilués DMS, très étudiés aujourd'hui, ainsi qu'aux problèmes de diffusion aux interfaces dans les dispositifs GMR, problématique qui soulève actuellement de nombreuses questions. A ce jour notre démarche est unique et semble capable de rendre compte des comportements de résistivité expérimentale en particulier pour le cas des semi-conducteurs, de fournir une nouvelle explication quant à la controverse liée aux mécanismes de diffusion électronique autour de la température critique. Ma contribution à ce travail a consisté à développer, en collaboration avec mon directeur de thèse le Pr. Hung The Diep, un algorithme pour l'étude du transport de spin. Grâce à cet algorithme, j'ai obtenu de nombreux résultats qui ont permis l'interprétation des différents résultats expérimentaux présentés dans ma thèse. Ma contribution principale à ce travail est : - Mise au point d'une méthode Monte Carlo avec des techniques permettant la réduction des fluctuations statistiques des échantillons (multi-step averaging) - Etude des différents types de matériaux ferromagnétiques et antiferromagnétiques non frustrés. Observation des comportements très marquants autour de Tc et à basse T: la dépendance de la forme du pic à Tc dépend de variables physiques bien identifiées (interactions : portée, nature ; temps de relaxation, réseau, ...) - Etude de l'effet de la frustration sur la résistivité. Effet d'une transition du premier ordre sur la résistivité. - Interprétation du comportement de la résistivité utilisant les données numériques notamment en terme de clusters et de temps de relaxation. - Etude quantitative de MnTe et comparaison avec l'expérience : accord parfait. Développons ces points en quelques mots. Le premier point sur lequel je voudrais insister, est l'interprétation nouvelle en ce qui concerne les mécanismes de diffusion à proximité des températures de transition ordre/désordre pour les réseaux non-frustrés. En effet, j'ai mis en évidence lors de ma thèse que la forme du pic de résistivité autour de Tc est une conséquence directe de deux effets liés au magnétisme du réseau. Autour de Tc le réseau percole et présente de larges clusters de spins parallèles (antiparallèles) qui représentent autant de zones de basses (hautes) énergies pour les électrons qui s'y propagent. En addition les spins du réseau subissent un ralentissement critique qui rend l'évolution du paysage magnétique extrêmement lent. Le ralentissement critique des fluctuations des spins du réseau fige le paysage magnétique et permet aux spins itinérants de se localiser dans les clusters parallèles (basses énergies) et d'y être piégés, donnant naissance à un pic de résistivité à Tc. En conséquence nous soulignons que l'étude de transport dans les systèmes magnétiques doit tenir compte du paysage énergétique local du réseau magnétique, ainsi que de la dynamique des fluctuations des spins en fonction de la température (ce dont ne tenaient pas compte les travaux ultérieurs). C'est deux points nous permettent un traitement généralisé de la résistivité dans les systèmes non-frustrés. Quant aux systèmes antiferromagnétiques frustrés, ils se caractérisent par un grand nombre d'états dégénérés (souvent infini pour des spins d'Ising). Cependant, la structure en couches minces du système nous permet de rendre cette dégénérescence finie. Nous mettons premièrement en évidence que la dégénérescence du système induit une transition de résistivité du premier ordre, et que selon l'état dégénéré du système, la résistivité peut présenter deux types de transition : une transition allant des basses résistivités vers les hautes résistivités, dans le sens des températures croissantes, ou inversement. Soulignons que ce type de matériau peut présenter un intérêt dans l'élaboration de système tel que les rams assistées par la chaleur.

Ce travail présente l'élaboration de polymères de coordination du fer(II) à transition de spin, l'étude de leurs propriétés magnétiques et structurales et la recherche des facteurs conditionnant l'observation de transitions de spin fortement coopératives à l'état solide. La stratégie d'autoassemblage mise en oeuvre a permis l'obtention de plusieurs familles de polymères avec des espaceurs bipyridiniques et dicyanamide. L'analyse approfondie des données structurales concernant ces polymères par diffraction des rayons-X sur monocristal permet d'étudier les interactions inter-sites et leur influence sur les propriétés magnétiques de ces systèmes. On observe ainsi que la coopérativité de la transition de spin est davantage renforcée par les interactions intermoléculaires non-covalentes (liaisons hydrogène, pi-stacking) qui se développent entre les chaînes polymériques que par les interactions élastiques transmises d'un site métallique à l'autre par les ligands pontants plus ou moins rigides.

L'essor du domaine de l'électronique de spin a stimulé l'étude des propriétés de films minces ferromagnétiques utilisés pour la rétention et la lecture de l'information magnétique. Les films minces antiferromagnétiques, bien que mis en exergue par la démonstration de l'effet GMR dans des super-réseaux Fe/Cr, n'ont qu'un rôle auxiliaire dans ces dispositifs. Des études théoriques récentes proposent néanmoins de leur conférer un rôle actif avec des propriétés distinctes et compétitives, en remplacement des films ferromagnétiques. Contrairement aux couches ferromagnétiques, les films antiferromagnétiques ont été l'objet de beaucoup moins de travaux expérimentaux : l'ordre antiferromagnétique ne peut être étudié que par quelques techniques spécifiques, telles que la diffraction de neutrons. Au cours de cette thèse, nous avons examiné un système modèle pour l'électronique de spin, constitué d'une couche mince de chrome (001), archétype de matériau antiferromagnétique itinérant, et d'une couche d'oxyde de magnésium (001), barrière cristalline la plus largement utilisée. Nous avons montré qu'il était possible de contrôler l'anisotropie magnétique et l'ordre magnétique de l'antiferromagnétique grâce à une maîtrise fine des conditions de croissance et grâce au dopage par le Fe. Une étude détaillée par photoémission a permis d'approfondir les preuves du couplage du magnétisme et de la structure électronique du Cr, et en particulier de mettre en évidence des états de surface et d'interface polarisés. Ces résultats ont été complétés par la détermination du moment ferromagnétique d'interface du Cr/MgO (001) par réflectivité de neutrons. Enfin, en tirant parti de ce socle de connaissance, nous avons pu comprendre et interpréter le magnétisme caractéristique d'hétérostructures de Cr comportant une barrière cristalline fine de MgO, comme la signature d'un couplage tunnel intercouches.

Grâce aux progrès réalisés ces dernières années dans la conception de réseaux intelligents, tels que les réseaux centrés sur la personne (WBAN) ou les réseaux sans fils de proximité (WPAN), de nouveaux types d'applications émergent et utilisent des capteurs d'informations capables de relever les paramètres physiologiques, environnementaux et plus particulièrement le positionnement des personnes. Dans ce cadre, nous nous sommes attachés dans ce travail de recherche à la conception et la réalisation d'antennes en polarisation circulaire pouvant être intégrées dans des vêtements, pour les standards de géolocalisation européen Galiléo et Américain GPS. Nous avons utilisé pour ces antennes des structures métamatériaux de type conducteurs magnétiques artificiels, afin d'augmenter les performances en rayonnement et pour diminuer le couplage avec et le corps humain. Une autre voie explorée est l'utilisation d'antennes patchs qui sont de nature faible encombrement. La bande de fréquence du standard de communications par satellite Iridium étant très proche du standard de géolocalisation GPS, nous avons trouvé intéressant de développer une solution de type patch couvrant les deux bandes GPS (1,575 GHz) et Iridium (1,621 GHz). L'antenne devant être intégrée sur une boite crânienne, les niveaux de débit d'absorption spécifique et les modifications du rayonnement sous conformation de l'antenne ont également été étudiés. L'évolution de ce travail a été ensuite d'étudier le comportement de cette antenne posée sur le dessus d'un casque militaire français. Les performances en rayonnement ont été satisfaisantes et ont montré la possibilité d'une telle application.