Les nanotubes de carbone ou le graphène sont des formes allotropiques du carbone prometteuses pour un large domaine d'applications, mais des modifications de leur surface carbonée sont nécessaires pour leur manipulation et mise en forme. La fonctionnalisation covalente est un des moyens utilisés avec succès dans ce cadre, même si les modifications induites ne sont pas contrôlables. Les travaux réalisés au cours de cette thèse concernent l'utilisation de la réduction chimique des nanotubes et autres nanoformes de carbone, nanocornes, graphène ou nanodisques, pour d'une part obtenir des solutions stables et concentrées dans une gamme de solvants dépendant du type de nanoforme et d'autre part fonctionnaliser de manière covalente les différents types de surface carbonée de ces objets. Dans le cas des nanotubes, des molécules acceptrices ou donneuses d'électrons ont ainsi été greffées permettant la formation d'ensembles donneur-accepteur. D'autre part, le nombre de fonctions chimique greffées a pu être contrôlé, préservant ainsi les propriétés électroniques des nanotubes.

A la suite de la première démonstration de l'écriture de guide d'onde au sein de verres en 1996 par laser femtoseconde, l'écriture direct par Laser Femtoseconde (Femtoseconde Direct Laser Writing - FLDW) est apparu comme une technique souple pour la fabrication de structure photonique en trois dimensions au sein de matériaux pour l'optique. La thèse a porté sur l'inscription par laser femtoseconde de fonctionnalités optiques au sein de verres. Des éléments diffractifs par modification de l'indice de réfraction et des structures présentant des propriétés de luminescence ou d'optique non linéaire d'ordre deux ont pu être obtenus au sein de matériaux vitreux et étudiés.

Ce travail de thèse concerne l'étude de dispersions et de fibres de nanotubes de carbone. Nous nous sommes intéressés à l'influence de la structure des nanotubes et de la nature des dispersants sur la topologie des diagrammes de phases des suspensions. Nous montrons par ailleurs que les dimensions des nanotubes peuvent être caractérisées en suspension par diffusion dynamique dépolarisée de la lumière. Le deuxième aspect de ce travail concerne l'étude et l'optimisation des propriétés mécaniques, électriques et électromécaniques de fibres de nanotubes de carbone formulées grâce aux acquis de la partie précédente. Nous montrons que les fibres de nanotubes sont des systèmes prometteurs pour la réalisation de matériaux haute ténacité, de capteurs ou encore d'actionneurs électromécaniques.

Cette thèse rapporte l'étude de fibres composites nanotubes de carbone/polymère qui présentent des propriétés originales, dont notamment une très forte énergie de rupture potentiellement utile pour de futures applications balistiques. En effet, leur capacité d'absorption d'énergie est la plus importante jamais observée pour un matériau. Cette propriété est liée à la structure composite des fibres, qui est plus proche de celle des fibres naturelles comme la soie d'araignée, que de celle des fibres synthétiques hautes performances usuelles. La thèse présente des études de l'influence de modifications structurales sur les propriétés mécaniques, électriques et thermomécaniques des fibres, qui ont mis en évidence de nouvelles propriétés, comme des effets mémoire de forme et de température. Nous espérons que les résultats fondamentaux obtenus dans ce travail aideront au développement de diverses applications, notamment dans le domaine des textiles et matériaux de protection balistique.

Cette thèse présente l'étude de deux systèmes colloïdaux : les suspensions de rubans V2O5 et les dispersions de nanotubes de carbonne. Nous avons étudié leur stabilité en fonction de différents paramètres physico-chimiques. Nous nous sommes notamment attachés à discerner les comportements qui sont contrôlés par la cinétique de ceux relevant d'arguments thermodynamiques. Nous avons montré que ce genre d'approche peut être mise efficacement à profit pour réaliser la mise en forme de matériaux, avec par exemple, un procédé simple pour assembler les nanotubes de carbone sous forme de fibres macroscopiques.

Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de nouveaux pigments thermochromes irréversibles avec le cobalt divalent pour chromophore principal en vue de les intégrer à une peinture thermosensible commerciale.Le travail a été réalisé en suivant trois phases. La première phase a consisté en l'identification de matrices thermosensibles présentant des évolutions structurales irréversibles en température dues à des transitions de phase du premier ordre ou des dégradations chimiques. Puis la synthèse de ces matrices a été effectuée par des voies compatibles avec les méthodes d'élaboration industrielle et permettant un dopage au cobalt. Enfin la troisième et dernière étape est l'étude in-situ et ex-situ des propriétés thermosensibles des pigments synthétisés à l'aide de techniques comme la diffraction des rayons X et des neutrons en température, l'analyse thermogravimétrique et la réflexion diffuse en température.À l'issue de ce travail de recherche, les solutions les plus efficaces ont été synthétisées à l'échelle industrielle puis intégrées à une peinture commerciale en phase aqueuse.

Ce travail porte sur la compréhension de la synthèse par voie chimique de nanoparticules (NPs) de FePt et FePd, et sur la recherche de voies pour obtenir la phase cristalline L10, en évitant les phénomènes de coalescence associés au recuit thermique. En remplaçant l'oleylamine par l'hexadécanenitrile, les NPs de FePt de 3-4 nm ont une composition interne plus homogène. Par une étude systématique (plan d'expérience reposant sur les tables de Taguchi), nous avons développé la synthèse de NPs de FePd, en mettant en évidence l'impact de chaque ligand et du réducteur. Afin d'induire la transition de phase sans coalescence des NPs, nous avons exploré deux méthodes. Dans la première, nous proposons de générer les lacunes par l'irradiation par d'ions légers, leur diffusion étant permise par un recuit à température modérée (300°C). Nous observons, sans coalescence, un accroissement important de l'anisotropie magnétique des NPs, avec une température de blocage multipliée par 4. Cependant, l'ordre chimique élevé de la phase L10 n'est pas obtenu, ce que nous interprétons. Notre seconde approche repose sur la dispersion des NPs dans une matrice granulaire de NaCl avant le recuit à 700°C. L'ordre chimique et l'anisotropie magnétocristalline obtenues sont élevées, la température de blocage est supérieure à 400°C. Nous avons mis au point une méthode pour transférer ces NPs dans des solutions stables, aqueuses ou organiques. Ces NPs de très forte anisotropie sont maintenant disponibles pour des manipulations et l'auto-organisation. Elles ouvrent de nombreuses perspectives d'études fondamentales et d'applications (stockage de l'information, biologie...).

Des alliages nanostructurés, co-continus et thermodynamiquement stables sont synthétisés, par extrusion réactive d'un polyéthylène fonctionnalisé (FPE) et d'un mélange bimodal de petites et longues chaînes de polyamide 6 (PA). Les petites chaînes réagissent rapidement pour former beaucoup de copolymères, garantissant ainsi la nanostructuration. Le greffage et l'incorporation des longues chaînes a pour but d'introduire des enchevêtrements et des molécules liens entre les cristallites de PA. Deux extractions sélectives successives nous ont permis de caractériser les chaînes de copolymères greffés et les chaînes non-réagies de FPE et de PA. Les propriétés macroscopiques des alliages sont optimisées en jouant sur l'ordre d'introduction des constituants, les conditions d'extrusion et la composition de la phase de PA. L'étude structurale des alliages et des copolymères greffés précise l'organisation des chaînes dans les deux nanostructures. Les deux phases de FPE et PA cristallisent de manière confinée ce qui confère aux alliages des propriétés mécaniques remarquables. Aux faibles déformations et au dessus de la fusion du FPE, les alliages de composition 64/36 FPE/PA en masse, présentent une tenue thermomécanique d'une vingtaine de mégapascals. Les longues chaînes de PA jouent le rôle de chaînes liens entre les cristallites et améliorent la ductilité des alliages nanostructurés à haute température (allongement à la rupture 250% à 150°C). Des expériences de diffusion des rayons X couplées à de la microscopie électronique en transmission avant et après traction permettent de relier les évolutions structurales et morphologiques aux comportements mécaniques de ces alliages.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la miniaturisation des dispositifs à mémoire non-volatile, de type FLASH, en remplaçant la grille flottante avec des monocouches de molécules redox, les polyoxométallates. Dans ce but, j'ai été engagé dans un programme visant à construire des dispositifs qui utilisent les propriétés des polyoxométallates (POMs) pour stocker des informations. Dans une approche générale, une molécule redox-active fixée à une surface d'électrode de silicium sert de support de stockage actif, et l'information est stockée dans les états d'oxydo-réduction discrets de la molécule (POM). Ce travail est organisé en quatre parties et commence par une brève introduction sur les mémoires moléculaires et les polyoxométallates. Il continue avec les résultats expérimentaux en Partie 2, la synthèse et la caractérisation des polyoxométallates fonctionnalisés; en Partie 3, les électrodes modifiés par des polyoxométallates et en Partie 4, l'étude électrique des condensateurs modifiés par des polyoxométallates.

En optoélectronique, l'avènement des technologies basées sur les nitrures du groupe III permettront une diminution de la consommation d'électricité dédiée à l'éclairage. Le nitrure d'aluminium, AlN, est particulièrement attractif pour la fabrication de diodes électroluminescentes UV. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier la faisabilité d'un procédé de croissance de monocristaux d'AlN à haute température à partir d'une phase gazeuse chlorée (HTCVD). Les dépôts d'AlN sont réalisés à partir de NH3 et AlCl3 synthétisé in-situ par chloruration de l'aluminium métallique par le chlore. Une étude thermodynamique préliminaire est réalisée afin de mettre en évidence les possibilités mais aussi les limites d'utilisation des matériaux en testant leurs compatibilités. Les modélisations thermodynamiques du système Al-N-Cl-H permettent aussi de montrer les mécanismes chimiques globaux et certains paramètres propices à l'élaboration d'AlN par CVD. Une étude paramétrique expérimentale du procédé est menée afin de comprendre l'influence des conditions opératoires sur la vitesse de croissance, la morphologie de surface et l'état cristallin des dépôts d'AlN. Des conditions propices à l'élaboration de couches épitaxiées sont également recherchées. Les dépôts polycristallins et épitaxiés réalisés sont étudiés structuralement et leurs propriétés sont caractérisées. Une étude des mécanismes de croissance et des caractéristiques des polycristaux élaborés à forte vitesse est menée. La morphologie, la structure, les propriétés et les défauts des couches épitaxiées sont étudiées.