Les optiques utilisées pour les expérimentations utilisant la lumière blanche ou des lasers, sont généralement traitées afin de fonctionnaliser optiquement la surface pour, par exemple accroître leur faculté à réfléchir la lumière ou au contraire à la transmettre. Ceci est fait au moyen de machines de dépôt sous vide dans lesquelles différentes techniques de dépôt peuvent être utilisées. Dans tous les cas, de la matière est envoyée sur la surface de l'optique à traiter : des couches minces de différents matériaux sont alternativement déposées à leur surface. Cette amélioration des fonctions optiques exploite l'interférence des rayons lumineux qui sont réfléchis ou transmis par ces couches minces. Mais pour que le traitement soit efficace, il est nécessaire que les épaisseurs de chaque couche déposées respectent un schéma défini à l'avance : le design optique, il s'agit du plan de l'empilement des couches à déposer et de leurs épaisseurs théoriques.Différentes techniques de contrôle in-situ de l'épaisseur des couches minces existent. L'une d'elles, le contrôle quartz, est une technique de contrôle largement répandue pour sa simplicité de mise en œuvre mais possède une précision limitée à seulement quelques pourcents. Le sujet de cette thèse porte sur le développement et l'installation dans une machine de dépôt, prévue pour de grandes optiques, d'un système de contrôle basé sur l'analyse spectrale d'une lumière réfléchie par l'optique en cours de dépôt. Il s'agit d'un contrôle optique large-bande, technique mise en place dans la grande machine de dépôt du laboratoire afin de remplacer le contrôle quartz.Nous commencerons cette thèse par un aperçu des différentes techniques de dépôts utilisées au laboratoire puis des techniques de contrôle d'épaisseur les plus répandues dans le domaine des couches minces. Ensuite, nous continuerons sur le design et l'installation du système optique qui permet d'effectuer la mesure des couches en cours de dépôt. Enfin, nous monterons que les spécifications fixées sur les empilements de couches minces ont été atteintes avec précision et répétabilité / The optics that are generally used for the experiments using white light or lasers, have their surfaces usually treated in order to enhance their optical characteristics. This is done inside vacuum coating machines with different possible techniques. With all these techniques, some matter is deposited on the optical surface: several thin films of different materials are deposited in a stack. These improvements use the light interference properties of the beams that are reflected or transmitted by the thin films. But in order to make this effect the most efficient, it is necessary that the layer thicknesses respect an optical design: the layer stack and their theoretical thicknesses.Different in-situ thickness monitoring techniques exist. One of them, the quartz crystal microbalance technique, is widely used for its simplicity but it only allows an accuracy of a few percent. The thesis topic was the development and the installation of a thickness monitoring, in a large coating chamber used for large optics coating, in order to replace th quartz microbalance monitoring. . This is a broadband optical system performing a spectral analysis of the reflected beam from the optic during the coating. We will start this manuscript with a quick overviewof the deposition techniques available at the laboratory. Then, we will review the most widely used thickness monitoring methods in the domain of thin films. We will continue with the design and the installation of the optical system inside the coating chamber. Finally, we will show that the success criteria of the deposition tests were met with accuracy and repeatability

Les vis à rouleaux satellites (VAR) équipent certains actionneurs électromécaniques du secteur aéronautique, et permettent de transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation. Ces systèmes sont constitués d’aciers inoxydables martensitiques trempés, et sont habituellement lubrifiés à la graisse. Comme pour beaucoup d’autres pièces de roulement, l’adhésion-grippage peut survenir bien avant la durée de vie théorique calculée en fatigue de roulement. La charge actionnée par la vis est portée par un ensemble de contacts entre les filets de la vis, des rouleaux et de l’écrou. Chaque contact peut être décrit comme un contact de type ellipsoïde sur plan soumis à de fortes pressions de contact (3-4 GPa), et à une cinématique de roulement associée à une composante de glissement transverse (jusqu’à 10 % de taux de glissement). L’objectif de la thèse est de comprendre les mécanismes d’endommagement dans les VAR, d’étudier l’influence des paramètres de design et d’utilisation sur ces mécanismes au travers de paramètres tribologiques, et de proposer une ou plusieurs solutions permettant d’améliorer le comportement et la durée de vie. Le contact est simulé expérimentalement par un galet torique en roulement sur un disque plan. Un tribomètre rotatif est utilisé pour reproduire la cinématique de contact avec un glissement perpendiculaire au roulement. L’effort tangentiel transverse lié au glissement est mesuré, ainsi que la vitesse de roulement du galet. Une caméra et un microscope installés au-dessus du disque permettent de réaliser un film image par image de l’évolution de la piste usée au cours des essais. Le comportement du contact acier / acier sans lubrification est d’abord étudié, et montre une usure adhésive catastrophique dès les premiers cycles. Plusieurs aspects du comportement en contact lubrifié à la graisse sont alors étudiés, en particulier les mécanismes d’alimentation spécifiques liés au glissement transverse, ainsi que les degrés d’instabilité de la sous-alimentation qui peuvent être cartographiés en fonction des paramètres d’entrée (pressions, vitesse, taux de glissement). Un revêtement couche mince du type WC/C est également étudié en remplacement de la graisse. L’étude de son comportement montre une étape de rodage importante puis une phase de bas frottement, qui se termine par une phase d’endommagement par usure abrasive. Un endommagement secondaire du revêtement lié à la fatigue de contact a également été identifié, et les conditions de son apparition par rapport aux conditions de sollicitation ont été cartographiées. L’analyse des résultats expérimentaux obtenus permet de proposer des pistes pour le design et le choix des matériaux pour améliorer le comportement et la durabilité des VAR. / The planetary roller screw (PRS) mechanism is used in the aeronautics industry for electro-mechanical actuators application. It transforms a rotational movement into a translation movement, and it is designed for heavy loads. The main components are made of martensitic stainless steels, and lubricated with grease. Like most usual rolling mechanisms, smearing and jamming can occur before the theoretical fatigue lifetime, especially in poor lubrication conditions. The actuated load is carried by small contacts between the threads of the screw, the rollers and the nut. The static single contact can be described as an ellipsoid on flat contact with high contact pressure (3-4 GPa). The motion consists of rolling with spin associated with side slip (up to 10 %). The aim of this PhD work is to investigate the wear behavior for different operating and design parameters of PRS such as load, speed, slip ratio, lubrication and material structure, in order to improve behavior and lifetime of PRS. The contact is experimentally simulated by a free rolling roller loaded on a rotating disk. A specific tribometer is used to create a contact with a side slip component, i.e. perpendicular to the rolling direction. The roller rolling speed and the tangential force generated by the slip ratio are measured. Also, an optical device is set on the tribometer to make a film of the evolution of the track outside of the contact. Steel on steel wear behavior is first presented. Then, several aspects of the greased lubricated contact are studied such as the feeding mechanisms related to the specific kinematics, and susceptibility to smearing in relation with tests input parameters. The feeding mechanisms are mapped as a function of input parameters (contact pressure, rolling speed, and sliding ratio). The wear behavior of hard carbon-based coatings with and without grease is also investigated. It shows good performance for the roller-screw application. The coating lifetime is governed by a three-body wear mechanism, but the experiments also reveal a progressive cracking in the rolling direction, i.e. perpendicular to the sliding direction. Lastly, a wear mode map is proposed to illustrate the competition between the two damage modes depending on the tests input parameters. The analysis of experimental results allows us to propose ways to improve the design and the selection of materials in order to increase the behavior and the durability of PRS.

Ce travail est une contribution à l'étude de l'interaction entre des couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et un plasma d'hydrogène, dans un réacteur de dépôt par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Le suivi in situ de la cinétique de gravure par l'hydrogène atomique est réalisé par ellipsométrie UV-visble. Les différents paramètres de plasma (température, puissance radiofréquence, pression du gaz H2, type de dopage du matériau) pouvant impacter cette cinétique ont été sondés. L'analyse des spectres d'ellipsométrie spectroscopique, à l'aide d'un modèle optique approprié, a permis de mettre en évidence leurs effets sur le temps de formation de la couche modifiée par l'hydrogène, son épaisseur et son excès d'hydrogène, ont été analysés. Le même traitement au plasma d'hydrogène appliqué à des jonctions i/p et i/n, révèle un comportement particulier de la cinétique de gravure dans la zone de jonction. Ce comportement a été interprété dans le cadre d'un modèle simple de diffusion de l'hydrogène sous champ électrique. / This work is a contribution to the study of the interaction between hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films and hydrogen plasma in a PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) reactor. The kinetics of silicon etching by atomic hydrogen is monitored in situ by UV - visble ellipsometry .Several plasma parameters (temperature, RF power, H2 gas pressure, the doping of the material) that may impact the kinetics were probed. An analysis of the spectroscopic ellipsometry spectra, thanks to an appropriate optical model, allowed evidencing their effects on the time constant, the thickness and the hydrogen excess of the H-modified layer.The same hydrogen plasma treatment repeated on i/p and i/n H base junctions revealed a particular behavior of the etching kinetics in the junction zone. This effect is interpreted in the frame of a simple of hydrogen diffusion model under an electric field.

Le phosphure d’indium (InP) est un semiconducteur III-V aux propriétés adaptées aux applications optoélectroniques. Toutefois, son oxydation spontanée à l’air engendre une dégradation de ses propriétés électriques. La passivation de sa surface devient donc une étape clé pour son intégration dans des dispositifs optoélectroniques attractifs. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l’étude de la passivation de surface de InP par nitruration. Nous avons réalisé de manière reproductible la formation d’un film de type polyphosphazène ( H2N-P=NH )n sur InP par voie électrochimique dans l’ammoniac liquide (-55°C). Le suivi de la croissance du film sur InP a été effectué grâce au couplage systématique de mesures électrochimiques (J = f(E), J = f(t), E = f(t) et C = f(E)) avec des analyses de composition chimique de surface par XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). Chacune de ces techniques apporte des éléments sur la compréhension du mécanisme de nitruration de la surface de InP en solution (anodisation en milieu NH3 liq), nous permettant ainsi de proposer un mécanisme de formation du film de phosphazène de type ECE « Electrochimique-Chimique-Electrochimique ». L’étude par XPS de la stabilité à l’air de la composition chimique de surface de InP traité a révélé le caractère protecteur du film. La valeur élevée de la capacité interfaciale après traitement anodique suggère que l’interface modifiée (de type Electrolyte-Insulator-Semiconductor) est en régime d'accumulation et se comporte comme un « vrai » condensateur. / Indium phosphide (InP) is a III-V semiconductor, which represents an ideal candidate for optoelectronic applications. However, its spontaneous oxidation in air leads to the loss of its electrical properties. The surface passivation becomes a key step for its integration in attractive optoelectronic devices. As part of this thesis, we are interested in studying the passivation of the InP surface by nitridation. We reproducibly realized the formation of a polyphosphazene-like (H2N-P=NH)n film on InP by electrochemical treatment in liquid ammonia (-55°C). The monitoring of the film formation was performed using a systematic coupling between electrochemical measurements (J = f(E), J = f(t), E = f(t), and C = f(E)) and XPS analysis (X-ray photoelectron spectroscopy) to follow the chemical composition of the surface. These techniques provide some answers about the nitridation mechanism of InP surface by a wet process (anodization in NH3 liq), leading to the formation of the phosphazene film through an ECE mechanism “Electrochemical-Chemical-Electrochemical”. The study of the air ageing of the modified surface using XPS analysis revealed the protective nature of the film. The high value of the interfacial capacity after the anodic treatment suggests that the modified interface (Electrolyte-Insulator-Semiconductor-like) is in accumulation state and behaves like a "real" capacitor.

La réalisation des jonctions ultra-minces et fortement dopées est un enjeu majeur pour la continuité de la miniaturisation des dispositifs microélectroniques. Les techniques de production en termes d'implantation ionique et de recuit d'activation doivent évoluer afin de répondre aux exigences du marché de la microélectronique. Le travail de recherche de cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ALDIP (Activation Laser de Dopants implantés par Immersion Plasma) et a pour objectif l’étude et le contrôle du procédé laser pour la réalisation des jonctions ultra-minces sur silicium (cristallin ou préamorphisé par implantation ionique) dopé au bore. En effet, le contrôle in situ du processus de recuit laser s'avère indispensable pour l'industrialisation de ce procédé qui jusqu'au là a fait l'objet de plusieurs études de recherche. Ainsi, le travail réalisé durant cette thèse a permis de mettre en place une méthode de contrôle, in situ, qui a été calibrée afin de la rendre accessible par le milieu industriel. Il s'agit de la méthode RRT (Réflectivité Résolue en Temps). Pour mener ce travail de thèse à terme, nous avons utilisé deux dispositifs expérimentaux comportant chacun un laser UV impulsionnel nanoseconde, un système optique d’homogénéisation et un dispositif RRT. Par ailleurs, plusieurs techniques de caractérisation ex situ ont été employées (TOF-SIMS, MEB, ...) notamment dans l’objectif de calibrer la méthode RRT. Ce travail expérimental a été couplé à une étude de simulation numérique qui a permis de mieux comprendre les paramètres clés du recuit laser et qui s’est souvent avérée en bon accord avec les résultats expérimentaux obtenus. / The realization of highly-doped ultra-shallow junctions became a key point for the reduction of microelectronic devices. Production techniques (implantation and activation annealing) must evolve to meet the market requirements of microelectronics. This job takes part of the ALDIP (Laser Activation of Dopants implanted by Plasma Immersion) project and it is focused on the study and control of the laser process for the realization of ultra-shallow junctions. The in situ control of laser annealing process is indispensable for the industrialization of this technique, which until then was the subject of several research studies. Thus, the work done during this thesis has permitted to set up a control method, in situ, which was calibrated to make it accessible to the industry. This experimental device is based on the RRT method (Time Resolved Reflectivity). In order to carry this work forward, we used two experimental systems based on the RRT method with two different nanosecond laser pulses (UV) and a homogenizer system. In addition, several ex situ characterization techniques were used notably for the purpose of calibrating the RRT method. This experimental work has been coupled with a numerical simulation study which provided a better understanding of the key parameters of the laser annealing. This comparison has often proved to be in a good agreement with experimental results.

Lors des dix dernières années, les films multicouches ont suscité l’intérêt de la communauté scientifique pour leurs propriétés innovantes. Principalement issus de l’association de polyélectrolytes et/ou de nanoparticules de différentes morphologies, ils ont ouvert la voie à la fabrication d’une nouvelle catégorie de matériaux nanoporeux, possédant des propriétés optiques attractives telles que la coloration structurale et l’antireflet. Les films multicouches à base de deux nanoparticules de charges opposées sont plus rares et permettent de jumeler les propriétés des deux nanoparticules utilisées et d’en faire émerger de nouvelles. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à deux nanoparticules anisotropes, de facteurs d’aspects contrôlés et respectivement bio/geosourcées : les nanocristaux de cellulose (NCC) et des nanotubes d’imogolite. Le but de cette étude est d’étudier la possibilité de créer un film multicouche bio-géo inspiré à base de ces deux nanoparticules par immersion et d’en étudier les propriétés optiques. Dans un premier temps, nous avons comparé les films multicouches NCC/Ge-imogolites à ceux plus communément décrits dans la littérature, à savoir, des films à base de NCC ou d’imogolite associés à un polyélectrolyte de charge opposée. Les différents paramètres de trempage comme le temps d’immersion et la force ionique de la suspension ont été variés afin d’obtenir une densité de film optimale. Pour finir la porosité des films et leur comportement dans l’eau ont été étudiés par QCM-D, ainsi que leurs propriétés optiques par mesure de transmittance. / In the past decade, multilayer thin films drew the scientific community attention for their unique properties. Indeed, principally made of an association of polyelectrolytes and/or nanoparticles, of various morphologies and chemistries, they allow the design of a range of porous nanomaterials with unique optical properties, such as structural colors or anti-reflectivity. Less commonly described, thin films made of two nanoparticles of opposite charges are gaining interest since they combine the properties of the two nanoparticles used, and generate new ones through their association. In this study, multilayer coatings were formed through the association of two anisotropic oppositely charged nanorods of well-controlled aspect ratio, i.e. bio-based anionic cellulose nanocrystals (CNC) and geo-based cationic Imogolites. This study deals with the feasibility to create a bio-geo-inspired multilayer thin film based on these two nanoparticles by dipping and characterize their optical properties. Firstly, elaboration of multilayered thin films from CNC and Ge-Imogolites nanorods, were studied in comparison with reference films incorporating CNC or Imogolites with polyelectrolytes bearing opposite charges of the nanorods. Multilayered thin films were assembled by the dipping procedure and various parameters (adsorption time, ionic strength, etc.) were varied to investigate the optimal density for the film. To finish, film porosities were investigated using QCM-D, and optical properties were investigated by transmittance measurements.

Pour concevoir avec succès l'instrumentation nécessaire aux nouvelles technologies de fabrication avec une précision nanométrique, la méthodologie de conception doit prendre en compte de nombreux sujets différents liés à la chimie, à la physique, à la mécanique, à l'électronique et à l'automatisation, travaillant ensemble pour atteindre l'objectif souhaité. Dans cette thèse, cette méthodologie de conception a été mise en œuvre avec un grand nombre d’outils et d’approches permettant d’optimiser avec succès une méthode de nanofabrication appelée dépôt par couche atomique spatiale (SALD) afin de déposer des couches minces d’un matériau potentiellement utile en tant que composant du dispositifs à énergie solaire non-silicium, séparateurs d’eau photoélectrochimiques et composants électroniques transparents à couche mince, entre autres: oxyde cuivreux (Cu2O).En ce qui concerne la technologie de fabrication et la conception mécatronique, SALD est une technique de fabrication prometteuse qui permet la fabrication de films minces avec une précision nanométrique et avec la capacité de contrôler leurs propriétés mécaniques, électriques et cristallographiques. De plus, l'approche SALD utilisée dans cette thèse et dans le Laboratoire des matériaux et du génie physique (LMGP) fonctionne à l'air libre (sans chambre de dépôt) et constitue donc potentiellement une approche compatible avec l'industrie pour les films minces homogènes de grande surface fabrication avec un débit élevé. De plus, SALD peut être utilisé dans des conditions qui le rendent compatible avec les substrats flexibles et avec les approches de rouleau à rouleau (R2R). Enfin, SALD offre une flexibilité sur le processus de dépôt afin qu’il puisse être ajusté pour obtenir différentes propriétés sur les films fabriqués avec un minimum de modification de l’instrumentation.À l'aide de simulations CFD (Computational Fluid Dynamics), les phénomènes de la mécanique des fluides qui se produisent pendant le processus de dépôt dans le système SALD ont été analysés pour différentes configurations du réacteur. L'influence sur les propriétés du film a été étudiée et une validation avec des dépôts expérimentaux a été effectuée. Ensuite, en utilisant les connaissances et les directives obtenues avec les simulations CFD, et afin de réduire le coût et la complexité de la modification de certains composants mécaniques du système, un flux de travail comprenant la conception assistée par ordinateur (CAO) et la fabrication additive (également appelé impression 3D) impression) a été mis en place au LMGP pour la fabrication de l’un des composants principaux du système SALD à LMGP: la tête de dépôt. Ici, c'est la première fois qu'une telle technique de fabrication innovante est appliquée aux processus de nanofabrication en couches minces, offrant de nombreuses applications potentielles dans le domaine. Dans cette thèse, un tel flux de travail est présenté et expliqué, ainsi que les directives apprises et les limitations découvertes également présentées.Enfin, couches minces de Cu2O ont été déposé avec succès avec la méthode SALD. Le Cu2O est l’un des rares matériaux aux propriétés électroniques prometteuses en tant que semi-conducteur transparent de type p. Ici, les films de Cu2O fabriqués utilisant le système SALD à LMGP sont rapportés et leur conductivité de type p et leur cristallographie sont analysées.Les résultats de ces travaux fournissent des directives initiales pour la conception industrielle d’un système de fabrication à haut débit basé sur la technologie SALD, dans lequel la conception de ses composants est optimisée pour chaque matériau souhaité. Cette approche de conception rend également ce travail utile pour augmenter la quantité de matériaux compatibles avec le SALD, ainsi que pour développer davantage la méthodologie SALD dans des processus de fabrication innovants de matériaux et de dispositifs. / To successfully design the instrumentation needed for new manufacturing technologies with nanoscale precision, the design methodology must take into account many different topics related to chemistry, physics, mechanics, electronics and automation, working together to achieve the desired goal. In this thesis, this design methodology has been implemented with a large number of tools and approaches to successfully optimize a nanofabrication method called spatial atomic layer deposition (SALD) in order to deposit thin films. a potentially useful material as a component of non-silicon solar energy devices, photoelectrochemical water separators and transparent thin-film electronic components, among others: cuprous oxide (Cu2O).With respect to manufacturing technology and mechatronics design, SALD is a promising manufacturing technique that enables the fabrication of thin films with nanoscale precision and the ability to control their mechanical, electrical and crystallographic properties. In addition, the SALD approach used in this thesis and in the Laboratoire des Matèriaux et du Génie Physique(LMGP) works in the open air (without a repository) and is therefore potentially an industry-compatible approach to film Thin homogeneous high-area manufacturing with high throughput. In addition, SALD can be used under conditions that make it compatible with flexible substrates and roll-to-roll approaches (R2R). Finally, SALD offers flexibility on the deposit process so that it can be adjusted to obtain different properties on films manufactured with a minimum of instrumentation modification.Using CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations, the fluid mechanics phenomena that occur during the deposition process in the SALD system were analyzed for different reactor configurations. The influence on the properties of the film was studied and a validation with experimental deposits was carried out. Then, using the knowledge and guidance obtained with CFD simulations, and to reduce the cost and complexity of modifying certain mechanical components of the system, a workflow that includes computer-aided design (CAD) and manufacturing additive (also called 3D printing) printing) was set up at the LMGP for the manufacture of one of the main components of the LMGP SALD system: the deposit head. Here, it is the first time that such an innovative manufacturing technique has been applied to thin-film nanofabrication processes, offering many potential applications in the field. In this thesis, such a workflow is presented and explained, along with learned guidelines and discovered limitations also presented.Finally, thin layers of Cu2O have been successfully deposited with the SALD method. Cu2O is one of the few materials with promising electronic properties as a p-type transparent semiconductor. Here, Cu2O films made using the LMGP SALD system are reported and their p-type conductivity and crystallography are analyzed.The results of this work provide initial guidance for the industrial design of a high throughput manufacturing system based on SALD technology optimized for each desired material. This design approach also makes this work useful for increasing the amount of SALD compatible materials, as well as for further developing the SALD methodology in innovative materials and device manufacturing processes.

Dans cette thèse, nous étudions les propriétés optiques d'un système multicouche (air-Au-SiO₂-Au-Ti-verre). Les interfaces sont planes et la modélisation est réalisée en utilisant les coefficients de Fresnel à l'interface et la propagation d'ondes planes dans les couches. Deux modèles sont utilisés où l'échantillon est : i) excité par une source à l'infini ; ii) excité par une source locale. Dans l'expérience que nous avons modélisée l'empilement est excité par les électrons tunnel inélastiques dans un microscope à effet tunnel (STM). Dans le modèle, le courant tunnel inélastique est remplacé par un dipôle oscillant vertical. En utilisant ces modèles, nous avons calculé les flux réfléchis (reflectance) et transmis (transmittance) d'une source de lumière à l'infini et le flux transmis de l'excitation locale. La reflectance, transmittance et le flux transmis montrent des modes plasmoniques (surface plasmon polaritons (SPP)) et photoniques (guide d'onde (WG)). A des longueurs d'onde particulières, les courbes de dispersion des SPP et WG présentent un croisement évité. Le choix des épaisseurs d'or et de silice a deux contraintes: une amplitude importante des observables et une large dépendance en longueurs d'onde du vecteur d'onde dans le plan. Nous étudions aussi l'influence des épaisseurs sur les observables. Nous avons trouvé que les observables ont des amplitudes importantes à pour une épaisseur d'or de [10, 90 nm] pour l'empilement de trois couches et de [10, 50 nm] pour celui de six couches. Les modes de guide d'onde apparaissent pour une épaisseur de la couche de silice de >190 nm. Afin de caractériser la localisation du champ dans l'empilement et déterminer la nature du mode, nous avons calculé le champ électrique en fonction de la coordonnée de pénétration z. Nous avons trouvé que pour le mode SPP le champ est localisé à l'interface Au-air, tandis que le champ électrique du guide d'onde est confiné dans la couche de silice. Les résultats théoriques présentés sont en bon accord avec les résultats des études expérimentales menées dans notre groupe. / In this thesis, we investigate the optical properties of a six-layer stack (air-Au-SiO₂-Au-Ti-glass). The interfaces are flat and the modeling is performed using elementary Fresnel expressions at the interface and plane wave propagation in the layers. Two models are used where the sample is: i) excited by a source at infinity (excitation by source at infinity (ESI)); ii) excited by a local source. In the experiments we are modeling this source consists of the inelastic tunneling electrons from a scanning tunneling microscope (STM). In our modeling this source is replaced by a vertical oscillating dipole. Using these two models one calculates the reflected (reflectance) and the transmitted (transmittance) flux from a source at infinity and the transmitted flux of a local source. Surface plasmon polariton (SPP) and wave guide (WG) modes may be identified in the reflectance, transmittance and transmitted flux. In a particular wavelength domain the SPP and WG repel each other giving rise to an avoided crossing. The choice of the gold (Au) and silica (SiO₂) thicknesses of the six-layer stack is guided by two requirements: high amplitude of the observable and wide wavelength dependence of the in-plane wave vector. We also study the influence of the gold and silica thicknesses on the observables. We find that the observables are significant for dAu[10, 90 nm] for the three and dAu[10, 50 nm] for six layer stacks and this predictive study guided the choice of the experimental sample thicknesses. The wave guide mode appears for dSiO₂ >190 nm. The electric field as a function of the penetration coordinate z is calculated in order to characterize the location of the field in the stack and to assign the nature of the modes. We observe that for the SPP the electric field is confined at the Au-air interface whereas, the electric fields corresponding to the WG mode are confined inside SiO₂ layer. Our calculations presented in this work are in good agreement with the experimental measurements performed in our group.

Les très basses fréquences (VLF) sont aujourd’hui principalement utilisées pour les communications sous-marines. Ces fréquences ont en effet l’avantage de pénétrer dans l’eau de mer jusqu’à quelques dizaines de mètre de profondeur, ainsi que de permettre des communications à très longue distance, au-delà de l’horizon. Les antennes nécessaires à l’établissement de ces communications sont nécessairement de très petite taille par rapport aux longueurs d’onde mises en jeu. Ces antennes sont des structures composées de centaines de mètre de câbles métalliques, situées à un emplacement étudié pour les qualités diélectriques du sol ou les avantages structurels du relief. Pour étudier de telles antennes, nous proposons l’utilisation d’un code basé sur une méthode temporelle, la TLM. Cette méthode peut se révéler être très efficace pour des études sur de larges bandes de fréquence et en présence d’un environnement diélectrique complexe. Pour cela, nous avons amélioré le modèle du Fil Mince permettant de modéliser une structure métallique en une dimension et avons cherché à valider son fonctionnement en présence d’un environnement réaliste. Dans ce document, nous présentons ainsi les différentes étapes ayant abouties aux améliorations apportées au modèle de Fil Mince. Notre code a été validé en comparant nos résultats à ceux de FEKO, un logiciel commercial basé sur la MoM considéré comme la méthode la plus adaptée à ce type de problème. Nous avons proposé, en particulier, une solution permettant de garantir une bonne précision du modèle quel que soit l’orientation du fil dans le maillage cartésien 3D. Nous avons ensuite précisé le domaine de validité des fils coudés ainsi que des jonctions de plusieurs fils. Nous avons étudié également l’interaction entre le fil et des milieux inhomogènes. Il s’agit là d’une problématique ambitieuse pour laquelle nous avons apporté quelques éléments de réponse mais qui reste à ce jour un verrou technologique à lever. Enfin, nous avons étudié des structures antennaires réalistes. Les simulations d’un système composé d’antennes en T déployé dans une vallée ont permis d’appréhender le fonctionnement d’une telle structure et ont montré l’intérêt de notre méthode. En effet, les temps de calcul nécessaires à la résolution du problème sont significativement plus faibles avec le code TLM qu’avec le logiciel FEKO sur ce type de sol complexe. Les simulations d’une antenne Trideco avec un plan de masse radial aérien ou enterré ont quant à elles montré les limites actuelles du code TLM qui reste handicapé par une modélisation imprécise des nœuds de connexion entre plusieurs fils et de leur interaction avec les milieux inhomogènes. / Submarine communications are the main usage of the very low frequency (VLF). This frequency band allows to radiate up to a few tens meter of depth and to a very long distance. Antennas for such telecommunications are necessarily small in regard to the wavelength. However, these structures are composed of hundred meters of thin metallic cables and their locations are often chosen for their dielectric characteristics or the structural advantage provided by the relief. To evaluate such antennas, we propose to use a home-made software, based on the TLM method. Such technique can be efficient for studying wide band electromagnetic problems in complex dielectric environment. Then we have improved the TLM Thin Wire model and we have evaluated its performances in realistic environment. In this document, we present our work and its validation by comparing our results to those obtained with the commercial software FEKO, based on the MoM, considered as the most suitable technique for this kind of problem. A solution assuring a good accuracy of the model for an arbitrary orientation of the Thine Wire in the 3D cartesian grid was proposed. We have also specified the limitations of the bent wire and the wires junction. In addition, we have studied the interaction between the wire and inhomogeneous media. This is an ambitious problem for which we brought some elements of answer but which remains a challenge. Finally, we have tested our software on some realistic antenna systems. The simulations of a valley span T antennas system allow to understand the functioning of such radiating structure and to show the interest of our method. The computation times are significantly lower with the TLM method than with FEKO to deal with antennas above such complex ground. However, the simulations of a Trideco antenna with aerial or buried radial ground plane showed the actual limitations of the TLM software which remains handicapped by an insufficient accuracy of the wires junction model and the inhomogeneous media interactions.

Les travaux de thèse ont porté sur l'étude de la complexation de métaux lourds par des molécules supramoléculaires qui offrent un moyen facile de détection de ces polluants qui présentent un caractère de toxicité élevé (mercure, plomb, cadmium…..) et sont des polluants des eaux courants. Le durcissement des réglementations concernant les seuils admissibles de polluants nécessite la mise au point de moyens de détection sensibles et de mise en œuvre facile associée à un coût réduit. L’étude est basée sur une famille de calixarènes modifiés par un groupe azoïque qui permet une détection visuelle directe de la présence de métaux lourds par un changement de couleur. Une première étape a porté sur la caractérisation des changements de propriétés optiques (couleur: absorption optique, mais aussi fluorescence) induite par l'ajout des cations métalliques à une solution des calixarènes qui a permis de valider la pertinence du protocole expérimental. Une deuxième étape a porté sur la réalisation des couches minces de calixarènes sur un support pour la réalisation de capteurs optiques. La possibilité de détection en phase dense a pu être démontrée. La détection par fluorescence des sondes calixarènes s'est avérée particulièrement intéressante pour le développement de capteurs chimiques parce que d'une part le signal est bien isolé et d'autres part en raison de la grande sensibilité de cette réponse. La troisième étape a porté sur la réalisation et l'optimisation d’un capteur chimique à réponse optique. Deux types de récepteurs calixarènes aptes à détecter des polluants, révélés par un changement de couleur caractéristique lors d’une simple immersion dans une eau à analyser, ont ainsi pu être sélectionnés / The thesis focused on the study of the complexation of heavy metals by supramolecular that provide an easy way of detecting these pollutants of a high toxicity (mercury, lead, cadmium ...). The tightening of regulations on allowable levels of pollutants requires the development of sensitive detection means and easy implementation associated with a reduced cost. The study is based on a family of calixarenes modified with an azo group which allows direct visual detection of the presence of heavy metals by a color change. The first phase focused on the characterization of changes in optical properties (color: optical absorption, but also fluorescence) induced by the addition of metal cations to a solution of calixarenes which validate the relevance of the experimental protocol. A second stage involved the realization of thin film on a support of calixarenes for producing optical sensors. The possibility of detecting dense phase has been demonstrated. Fluorescence detection probes calixarenes was particularly interesting for the development of chemical sensors because on the one hand the signal is isolated and on the other hand due to the high sensitivity of this response. The third stage involved the implementation and optimization of a chemical sensor optical response. Two types of receptors calixarenes able to detect pollutants, revealed by a characteristic color change in a simple immersion in a water sample, were able to be selected