Résumé Le manganèse (Mn2+) est un élément essentiel du corps humain. Ses propriétés paramagnétiques permettent son utilisation comme agent de contraste pour l'IRM (Mn-MRI ou MEMRI). Analogue du calcium (Ca2+), il pénètre les neurones essentiellement par les canaux calciques. Il est ensuite transporté le long des microtubules jusqu'aux synapses où il est libéré, puis capturé par les autres neurones. Ainsi, il peut rendre compte du transport axonal antérograde et rétrograde. L'approche MEMRI peut ainsi apporter des informations uniques sur la connectivité fonctionnelle cérébrale. Toutefois, deux problèmes limitent l'emploi de ce puissant outil d'imagerie in vivo : (i) A doses élevées, le Mn2+ est toxique pour l'organisme et peut provoquer une atteinte grave du système nerveux central, appelé manganisme. Les niveaux et les mécanismes de toxicité sont mal connus. (ii) Le mode de transport du manganèse dans l'approche MEMRI est mal connu. Afin d'apporter des éléments de réponse à ces deux problèmes, nous avons entrepris une étude couplant IRM et microscopie synchrotron pour mieux comprendre le comportement du Mn2+ in vivo. Nous avons précisé les distributions cellulaire et sub-cellulaire du Mn et d'autres métaux pour un modèle de cellules de type neuronal (lignée de neuroblastome N2A), pour des cultures primaires de neurones hippocampiques, mais aussi au niveau de coupes d'hippocampe de rats. En parallèle, nous avons étudié les effets du Mn sur le métabolisme cérébral par une technique de RMN-HRMAS du proton. Pour compléter ce travail, nous avons mis en œuvre l'imagerie MEMRI chez les souris KO MAP6 présentant un déficit d'une protéine stabilisatrice des microtubules pour évaluer la connectivité fonctionnelle du tract thalamo-cortical. Mots clés Hippocampe, MAP6, manganèse, métabolisme, métal, neurone, MRI, rongeurs, synchrotron.

The domain wall dynamics is used in many spintronic devices based on the uniaxial ferromagnetic wires to transport and store information. Therefore, the domain wall velocity is one of the main parameters that determine the operation speed of these devices. Recently, a big attention is being paid to amorphous glass-coated microwires due to the very high domain wall velocities that reach up to 20 km/s. In this work, the fast domain wall propagation in amorphous glass-coated microwires was found in the presence of two main factors: (i) relatively low magnetic anisotropy, (ii) complex geometry of magnetic anisotropies given by internal distribution of mechanical stresses. The domain wall dynamics was examined in amorphous glass-coated microwires of reduced diameter down to 1 μm. It was shown, that the domain wall dynamics in these wires is the same as in wires of bigger diameter. It proves that the high domain wall velocities in microwires are not the effect of microwire diameter value. The direct observation of the surface domain wall structure by use of MOKE microscope confirmed that the domain wall is inclined relatively to the main axis. A new method for magneto-optical observation of the samples with cylindrical geometry was proposed. The inclined structure of the domain wall was found to be partially responsible for the high apparent domain wall velocity measured by the Sixtus-Tonks method in microwires.

FRANCAIS: L'observation d'une intense luminescence dans les super-réseaux de Si/SiO2 a ouvert de nouvelles avenues en recherche théorique des matériaux à base de silicium, pour des applications éventuelles en optoélectronique. Le silicium dans sa phase cristalline possède un gap indirect, le rendant ainsi moins intéressant vis-à-vis d'autres matériaux luminescents. Concevoir des matériaux luminescents à base de silicium ouvrira donc la voie sur de multiples applications. Ce travail fait état de trois contributions au domaine. Premièrement, différents modèles de super-réseaux de Si/SiO2 ont été conçus et étudiés à l'aide de calculs ab initio afin d'en évaluer les propriétés structurales, électroniques et optiques. Les deux premiers modèles dérivés des structures cristallines du silicium et du dioxyde de silicium ont permis de démontrer l'importance du rôle de l'interface Si/SiO2 sur les propriétés optiques. De nouveaux modèles structurellement relaxés ont alors été construits afin de mieux caractériser les interfaces et ainsi mieux évaluer la portée du confinement sur les propriétés optiques. Deuxièmement, un gap direct dans les modèles structurellement relaxés a été obtenu. Le calcul de l'absorption (par l'application de la règle d'or de Fermi) a permis de confirmer que les propriétés d'absorption (et d'émission) du silicium cristallin sont améliorées lorsque celui-ci est confiné par le SiO2. Un décalage vers le bleu avec accroissement du confinement a aussi été observé. Une étude détaillée du rôle des atomes sous-oxydés aux interfaces a de plus été menée. Ces atomes ont le double effet d'accroître légèrement le gap d'énergie et d'aplanir la structure électronique près du niveau de Fermi. Troisièmement, une application directe de la théorique des transitions de Slater, une approche issue de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour des ensembles, a été déterminée pour le silicium cristallin puis comparée aux mesures d'absorption par rayons X. Une très bonne correspondance entre cette théorie et l'expérience est observée. Ces calculs ont été appliqués aux super-réseaux afin d'estimer et caractériser leurs propriétés électroniques dans la zone de confinement, dans les bandes de conduction. / ENGLISH: The observation of intense luminescence in Si/SiO2 superlattices has opened up new vistas in theoretical research, with a view to fabricate Si-based devices suitable for optoelectronic applications. Crystalline silicon has an indirect energy gap that makes this material less competitive compared to other luminescent materials. The fabrication of silicon-based luminescent materials would thus provide multiple applications in the future. Three achievements are presented in this work. (a) Several Si/SiO2 superlattice models have been constructed and studied within a first-principles framework in order to evaluate their structural, electronic and optical properties. The first two models are derived from crystalline phases of silicon and silicon dioxide. From these models, the interfaces are shown to play a significant role on their optical properties. New structurally-relaxed models have thus been constructed in order to satisfy more closely the interface topology and evaluate accurately the confinement effects on their optical properties. (b) Direct bandgaps are obtained in the structurally-relaxed models. Their absorption coefficient has been calculated (by applying the Fermi Golden rule) and compared to that of bulk Si, giving a clear demonstration of the enhanced absorption (and emission) properties of Si confined systems, compared to bulk Si. A blueshift with increased confinement has been confirmed. Furthermore, the precise role of suboxide Si atoms at the interfaces has been investigated. These suboxides are shown to have two main effects: (i) increase slightly the energy gap; (ii) reduce the dispersion in the band structure near the Fermi level. (c) A direct application of the Slater transition state theory applied to crystalline silicon has been performed and compared to X-Ray near-edge absorption spectroscopy measurements. The Slater transition state theory constitutes a subset of the density functional theory for ensembles. Very good agreement between this theory and the experiment is obtained. This type of calculations has been applied to the Si/SiO2 superlattices in order to estimate and characterize the electronic properties of the confined region in the conduction bands.

Dans la thèse, nous avons utilisé des simulations de Monte Carlo combinées avec différentes techniques efficaces tels que les méthodes d'histogramme pour étudier les transitions de phase et transport des spins dans différents systèmes. La première partie est consacrée à l'étude des transition de phase dans les systèmes de spins frustrés: (i) le modèle J_1-J_2 avec des spins Ising dans le régime antiferromagnétique complet, (ii) le modèle HCP avec des spins Ising et des spins $XY$ dans le régime antiferromagnétique complet. Les résultats obtenus montrent en effet une transition du premier ordre que l'on trouve plus tôt dans d'autres systèmes frustrés. La deuxième partie montre les état fondamental et transitions de phase dans les cristaux moléculaires et dans les liquides de dimères. Pour faire face à ces systèmes, nous avons utilisé le modèle de Potts en tenant compte de l'interaction dipolaire pour expliquer structures périoques en couches observées expérimentalement. Les résultats montrent des effets étonnants de cette interaction à longue portée. L'effet de l'interaction d'échange de surface a été pris en compte dans ce travail. Finalement, nous avons calculé la résistivité des spins itinérants. Nous nous sommes concentrés en particulier sur les effets des fluctuations de spin dans la région de transition de phase. Des résultats intéressants ont été obtenus montrant une forte corrélation entre les fluctuations de spin et le comportement de la résistivité. / In this thesis, we have used Monte Carlo simulations combined with different efficient techniques such as histogram methods to study the phase transitions and spin transport in various systems. The first part is devoted to the investigation of phase transition in frustrated spin systems: (i) the J_1-J_2 model with Ising spin in the full antiferromagnetic regime, (ii) the HCP lattice with both Ising and XY spin in the full antiferromagnetic regime. The results obtained show indeed a first-order transition as found earlier in other frustrated systems. The second part shows the ground state and phase transitions in molecular crystals and in dimer liquids. To deal with these systems, we have used the Potts model taking into the account the dipolar interaction to explain long-period layered structures experimentally observed. The results show amazing effects of this long-range interaction. The effect of surface exchange interaction has been considered in this work. Finally, we describe the resistivity of itinerant spins. We focused in particular on the effects of spin fluctuations in the phase transition region. Interesting results have been obtained showing a strong correlation between spin fluctuations and the behavior of the resistivity.

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Depuis une trentaine d’années, les matériaux organiques semi-conducteurs sont l’objet de recherches fondamentales autant qu’appliquées. Cet intérêt s’explique par des propriétés communément absentes des matériaux inorganiques utilisés jusqu’à présent telles que leur légèreté, leur souplesse et leur mise en forme aisée par des techniques d’impression à bas coût. Cependant, la forte anisotropie de leurs propriétés électroniques, telles que la mobilité des charges, a limité leur intégration dans les appareils de la vie courante.Ainsi, le but de cette thèse est d’étudier de nouveaux concepts de structures moléculaires adaptées au transport de charge tridimensionnel (3D) en phase cristalline. Cette étude concerne la synthèse des molécules, la caractérisation de leurs propriétés optoélectroniques, la résolution de leur structure cristalline, des mesures de dispositifs électroniques ainsi que la modélisation de paramètres clés du transport de charge.Pour atteindre cet objectif, les règles de conception appliquées aux molécules linéaires appartenant à la série du TIPS-pentacene a été étendues à des molécule de symétrie C3h. Les molécules possèdent ainsi un cœur aromatique plan en forme d’étoile à trois bras auxquels sont ajoutés des substituants encombrants proches du centre. Deux empilements sont alors envisagés appelés empilement par les bras ou en colonne décalée pour lesquels un chemin de percolation des sauts de charge est attendu dans les 3 dimensions.Ainsi, 13 triazastarphenes substitués par des amines ou des phényles ont été nouvellement obtenus via des méthodes de synthèses originales et directes. De plus, des systèmes borofluorés ont pu être obtenus ainsi qu’une voie de synthèse originale d’un composé utilisé en OLED. D’autre part, la résolution des structures cristallines a permis d’identifier des empilements proches voir identiques de ceux escomptés. Par exemple, deux benzostarphenes présentent respectivement un empilement par les bras sur la moitié de la maille et un empilement en colonne décalée. Enfin, l’étude théorique a mis en évidence que le transport de charge devrait s’effectuer en 2D pour le premier cas et en 3D pour le second en phase cristalline.Finalement, ce travail décrit pour la première fois la synthèse de composés étendus et solubles en forme d’étoile basés sur un motif acridine. Au-delà des multiples études sur les propriétés de ces molécules ainsi que de leurs intégrations quelquefois réussies dans des dispositifs électroniques (OFETs ou cellules à solaires à perovskites), les nouvelles méthodes de synthèse et les empilements discutés en détails devraient contribuer à l’élaboration de nouvelles règles de conception de composé -conjugué et participer au développement de semi-conducteurs organiques de plus hautes performances. / The research in organic electronics has attracted worldwide attention due to the specific properties of organic materials such as lightness, flexibility, large scale processing ability and low production cost. Compared with inorganic materials, the strong anisotropy and low charge carrier transport mobility limit their integrations in commercial devices. This research aims at developing molecule systems leading to three-dimensional charge transport.To reach this goal, our design strategy is to expand the generally linear-shaped molecular structure into star-shaped structure with C3h symmetry. The designed molecules consist of a planar core of fused aromatic cycles to form efficient - stacking with neighboring molecules and of bulky groups located close to the center to increase the solubility of the materials and prevent 1D columnar packing. Thus, two supramolecular arrangements are speculated (arm and column packing) where charge hopping follows pathways in 3D.Based on this design, 13 triazastarphenes substituted directly by amine or phenyl groups were synthesized and thoroughly characterized. Their electronic properties were carefully determined by UV-visible absorption spectroscopy, cyclic voltammetry and DFT calculations. Results from single crystal XRD showed that the experimental packing is similar to model for few molecules. In detail, one amino-triazastarphene has shown a new 2D layer by layer packing motif, while benzo-triazastarphenes have led to column packing in one case and half arm packing for another as expected. In addition, theoretical approach highlighted 2D and 3D dimensionality for charge carrier transport for the two later examples in the crystal phase.Finally, this work is the first report about straightforward synthesis of extended C3h acridine derivatives. Even though the performances obtained from the devices (OFETs and perovskite solar cells) based on these materials did not reach state of the art performances, the novel synthetic method and the achievement of interesting molecular arrangement motifs in single crystal can contribute to the development of high-performance OSCs.

Dans une première partie nous considérons le système {YSZ || (0001)_alpha-Al2O3} ({couche||substrat}) obtenu par voie sol-gel pour lequel des traitements thermiques induisent la formation d'îlots YSZ épitaxiés plats (interfaces (1) et (2); substrat plan) ou bombés (interface (3); substrat rugueux). Nous proposons un modèle physique à l'échelle atomique et une approche de simulation ab initio pour calculer l'énergie et comparer la stabilité de chaque interface observée expérimentalement.<br />La deuxième partie introduit un modèle physique à l'échelle nanométrique couplé à un algorithme Monte-Carlo classique pour simuler la mise en îlots, au cours d'un traitement thermique, de films minces synthétisés par voie sol-gel. Cette partie complète l'étude précédente en justifiant la plus grande stabilité de l'interface (3) vis à vis des interfaces (1) et (2) sur un substrat rugueux. Nous proposons ensuite une démarche de simulation analogue et un modèle décrivant les processus de formation d'îlots pour des couches synthétisées par des procédés de type PVD-CVD illustrés par le système {Ge||Si}.<br />Finalement, un modèle physique et un algorithme de dynamique moléculaire classique sont associés pour simuler l'auto-organisation de particules de diamant micrométriques immergées dans un film liquide horizontal en évaporation sur un substrat. Les particules sont soumises à des forces capillaires attractives et des forces de friction avec le substrat qui est plan ou rayé. L'expérience démontre une agglomération préférentielle des particules sur les zones de forte rugosité d'un substrat rayé; le modèle démontre l'importance des frottements dans l'interprétation de ce phénomène.

On étudie l'influence du désordre et de l'interaction sur les courants permanents dans des anneaux unidimensionnels d'électrons fortement corrélés modélisés par l'hamiltonien de Hubbard-Anderson. L'outil numérique DMRG est utilisé afin de calculer les énergies des états fondamentaux à N corps pour des conditions de bord périodique et antipériodique, ce qui permet d'obtenir la raideur de charge qui est une mesure du courant permanent. Pour des désordres non nuls, on trouve une augmentation des courants permanents quel que soit le remplissage pour des valeurs modérées de l'interaction pour un nombre pair d'électrons. Ce comportement est qualitativement différent de celui obtenu pour des fermions sans spin, ce qui confirme l'influence du spin dans la hausse des courants permanents. L'étude de la longueur de localisation à demi-remplissage permet de confirmer cet effet délocalisant et de l'extrapoler vers des systèmes plus grands. Dans la limite des interactions fortes, la raideur de charge décroît lorsque l'interaction augmente. On trouve deux lois de décroissance différentes avec l'interaction si on est à demi-remplissage ou en dehors. A demi-remplissage seulement, pour de fortes interactions, le désordre fait augmenter le courant permanent. Ce phénomène inattendu est confirmé par le comportement de la longueur de localisation et persiste pour des systèmes plus grands. Dans un calcul analytique, le terme cinétique de l'hamiltonien est traité en perturbation afin de calculer les corrections à l'énergie et la sensitivité de phase. On retrouve les lois de décroissance dans la limite des fortes interactions. Un développement limité par rapport au désordre est effectué et permet de trouver une dépendance de la sensitivité de phase avec le désordre. A demi-remplissage, ceci confirme que le désordre fait augmenter les courants permanents.

Dans la thèse, nous avons utilisé des simulations de Monte Carlo combinées avec différentes techniques efficaces tels que les méthodes d'histogramme pour étudier les transitions de phase et transport des spins dans différents systèmes. La première partie est consacrée à l'étude des transition de phase dans les systèmes de spins frustrés: (i) le modèle J_1-J_2 avec des spins Ising dans le régime antiferromagnétique complet, (ii) le modèle HCP avec des spins Ising et des spins $XY$ dans le régime antiferromagnétique complet. Les résultats obtenus montrent en effet une transition du premier ordre que l'on trouve plus tôt dans d'autres systèmes frustrés. La deuxième partie montre les état fondamental et transitions de phase dans les cristaux moléculaires et dans les liquides de dimères. Pour faire face à ces systèmes, nous avons utilisé le modèle de Potts en tenant compte de l'interaction dipolaire pour expliquer structures périoques en couches observées expérimentalement. Les résultats montrent des effets étonnants de cette interaction à longue portée. L'effet de l'interaction d'échange de surface a été pris en compte dans ce travail. Finalement, nous avons calculé la résistivité des spins itinérants. Nous nous sommes concentrés en particulier sur les effets des fluctuations de spin dans la région de transition de phase. Des résultats intéressants ont été obtenus montrant une forte corrélation entre les fluctuations de spin et le comportement de la résistivité.

Les suies se présentent sous la forme de fines particules carbonées de diamètres compris entre quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres. Dans l'atmosphère, elles entraînent des enjeux climatiques, de par leurs propriétés radiatives, mais aussi des enjeux sanitaires, du fait de leur faible taille : elles pénètrent facilement dans le système respiratoire et même, pour les plus fines, dans le système sanguin.L'objectif est de parfaire les connaissances sur les propriétés physiques des suies produites par différents systèmes de combustion.C'est dans le but de mieux comprendre l'influence des systèmes de combustion, faisant intervenir des temps de séjours différents, des propriétés de turbulence, d'oxydation et de pression distinctes que nous avons choisi d'étudier trois types de combustion spécifiques : d'une part, des flammes de diffusion laminaires à pression atmosphérique, initiées dans un brûleur développé au cours de ces travaux ; d'autre part, une flamme de diffusion laminaire sous atmosphère pressurisée (3 à 5 bars) ; enfin, une flamme turbulente produite par une chambre tubulaire, elle aussi sous atmosphère pressurisée (1.2 à 3 bar). Un autre enjeu de ce travail était d'approfondir les informations relatives à la combustion de carburants liquides, à savoir le kérosène et le diester.Les travaux effectués visent à déterminer les caractéristiques morphologiques (dimension fractale, diamètre des monomères...) et l'indice complexe m* des suies issues des différents systèmes de combustion.La technique employée pour la mesure de l'indice complexe de réfraction des suies, repose sur l'analyse d'une partie des fumées produites par les flammes. Ces fumées sont acheminées dans un banc d'analyse permettant la mesure de signaux d'extinction et de diffusion, ainsi que de distributions de taille des suies. Par ailleurs, des analyses de clichés obtenus par microscope en transmission d'électrons (TEM) permettent l'obtention d'informations sur la morphologie des agrégats de suies.L'utilisation de la théorie de la diffusion de la lumière pour des agrégats fractals dans la limite de Rayleigh (RDG-FA) permet d'estimer à partir de ces données deux fonctions de l'indice complexe E(m) et F(m), et ainsi de retrouver m*.