Les multicouches Fe/Dy présentent des propriétés magnétiques particulières en fonction de la nature des interfaces (rugosité et interdiffusion aux interfaces). Ainsi, l'apparition d'une anisotropie magnétique perpendiculaire au plan des couches apparaît fortement corrélée à la formation d'un alliage amorphe Fe-Dy à l'interface. L'objectif de ce travail est d'étudier les propriétés magnétiques de multicouches amorphes Fe/Dy par simulations Monte Carlo pour différents types d'interfaces. Nous avons considéré un modèle d'anisotropie magnétique basé sur des résultats expérimentaux qui comprend une faible proportion de sites caractérisés par une direction d'anisotropie magnétique en moyenne uniaxiale, les autres sites ayant une direction d'anisotropie aléatoire. Nous avons mis en évidence l'existence d'un profil d'aimantation inhomogène suivant l'épaisseur de la multicouche fortement dépendant du profil de concentration. La dispersion des moments magnétiques de Dy est plus faible dans le cas d'un profil diffus, contrairement à celle des moments magnétiques de Fe. La simulation de cycles d'hystérésis nous a permis d'obtenir un bon accord qualitatif avec les résultats expérimentaux. En particulier, notre modèle d'anisotropie permet de mettre en évidence l'ouverture des cycles pour un champ appliqué dans le plan des couches en raison de l'influence de l'anisotropie aléatoire. orsque le champ appliqué est perpendiculaire au plan des couches, les cycles d'hystérésis obtenus dans le cas du profil diffus sont caractéristiques d'une anisotropie perpendiculaire.

Cette thèse est divisée en deux parties: (i) la première partie concerne une nouvelle déduction purement géométrique de la cinématique des structures minces, notamment la cinématique des modèles classiques de plaque et de coque; (ii) la deuxième partie est relative à la modélisation des inclusions de grande rigidité dans un solide tridimensionnel et à la modélisation des poutres stratifiées à l'aide de la méthode des développements asymptotiques. (i) La dérivation géométrique de la cinématique des plaques et des coques est construite à partir des équations de compatibilité de Saint-Venant et de la formule intégrale de Cesàro-Volterra. L'appellation "géométrique" est due au fait qu'aucun renseignement sur la loi constitutive du matériau, sur l'équilibre et sur les forces appliquées n'a été utilisé. On considère un domaine de type plaque (ou coque) simplement connexe et on applique un développement asymptotique formel aux équations de Saint-Venant et à la formule de Cesàro-Volterra. En caractérisant les termes principaux du développement, on retrouve les hypothèses cinématiques des modèles de plaque de Kirchhoff-Love (ou Kirchhoff-Love généralisé dans le cas des coques) et de Reissner-Mindlin (ou Naghdi dans le cas des coques). (ii) La deuxième partie concerne l'étude asymptotique des conditions de transmission entre une couche mince de type coque et le solide 3D qui l'entoure. On déduit les problèmes limites dans le cas où les modules élastiques de la couche intermédiaire sont de l'ordre 1/epsilon et 1/epsilon^3 par rapport aux modules du solide 3D. De plus, on étudie le comportement asymptotique de trois différentes poutres multicouches en changeant les ordres de grandeur entre les épaisseurs de chaque couche et leurs respectifs modules élastiques.

L'analyse X par microsonde électronique (EPMA : Electron Probe MicroAnalysis) d'éléments légers, ayant des raies d'émission dans la gamme spectrale comprise entre 180 et 550 eV, requiert des cristaux analyseurs performants basés sur l'utilisation de revêtements interférentiels multicouches. Les composants optiques asphériques, tels que les ellipsoïdes de révolution, permettent de focaliser dans deux dimensions les rayons X en une seule réflexion, et ainsi de collecter plus de flux et d'atteindre des limites de détection plus faibles qu'avec les composants optiques actuellement utilisés. Nous avons étudié et développé différents systèmes multicouches, destinés à réfléchir les raies d'émission Ka de l'azote, du bore et de l'oxygène, et possédant à la fois de bonnes propriétés optiques, une bonne stabilité temporelle et thermique, ainsi qu'une bonne tenue mécanique. Les multicouches Cr/Sc développées pour la raie d'émission Ka de l'azote ont atteint des réflectivités maximales de 37% et se sont avérées très stables temporellement et thermiquement. Afin d'améliorer les performances des analyseurs, nous avons développé des revêtements antireflets dans le domaine XUV, permettant d'optimiser le rapport signal sur bruit. Les résultats très positifs obtenus dans cette première phase d'étude ont permis d'entreprendre le développement de composants optiques asphériques. Pour cela, le dépôt de la multicouche doit respecter un profil à gradient de période, afin de compenser la variation des angles d'incidences sur l'optique. Le développement de ce procédé de dépôt a permis de fabriquer plusieurs prototypes d'optiques pour l'EPMA pour la détection de la raie d'émission Ka de l'azote.

Dans ce document, j'utilise des résultats de ma recherche des dix dernières années pour montrer que le dichroïsme magnétique des rayons x est une technique puissante pour déterminer les propriétés magnétiques des couches minces, multicouches et nanostructures magnétiques. L'utilisation de règles de somme pour le dichroïsme permet de déterminer quantitativement les contributions orbitale et de spin au moment magnétique, et ceci séparément pour chaque élément dans un matériau hétérogène.<br />Utilisé de façon qualitative, le dichroïsme permet de suivre l'aimantation de différentes couches d'une multicouche en fonction du champ appliqué. En combinaison avec la structure temporelle du rayonnement synchrotron, il est possible d'étudier le renversement rapide de l'aimantation avec sélectivité chimique, ce qui est important pour les dispositifs comme les vannes de spin et les jonctions tunnel magnétiques. En ajoutant la résolution spatiale d'un microscope électronique comme le PEEM, il devient possible d'étudier tous les détails du renversement rapide dans les systèmes magnétiques complexes.

Les plus brefs flashs de lumière qui puissent être produits en laboratoire actuellement ont des durées de quelques dizaines d'attosecondes (1 as = 10-18 s), et ne peuvent être créés que dans le domaine extrême-ultraviolet (XUV). Le développement de composants optiques capables de contrôler et de mettre en forme ce rayonnement attoseconde est crucial pour permettre à ces impulsions de se généraliser. Cette thèse porte donc sur l'étude et la réalisation de tels composants.Les impulsions attosecondes ont la particularité de comporter une dérivée de fréquence intrinsèque au processus utilisé pour leur génération. Cela a pour effet d'augmenter leur durée. Nous avons donc développé des miroirs multicouches capables d'induire une dérive de fréquence opposée sur les impulsions s'y réfléchissant, permettant ainsi de les compresser. En caractérisant les impulsions attosecondes réfléchies par ces miroirs, nous avons pour la première fois observé une telle compression des impulsions attosecondes. Nous avons également développé des miroirs multicouches théoriquement capables de compresser des impulsions sous la barre symbolique des 50 as, soit en dessous du record actuel de durée d'une impulsion lumineuse.La mesure de ces impulsions requiert leur focalisation dans un spectromètre. Or les miroirs focalisants généralement utilisés peuvent très rapidement introduire des aberrations géométriques. A l'aide de simulations numériques et d'une étude analytique, nous avons montré que ces aberrations pouvaient très fortement déformer la structure spatio-temporelle des impulsions attosecondes, provoquant une augmentation de leur durée. Enfin, nous avons montré que ces effets n'étaient pas pris en compte par les techniques actuelles de caractérisation d'impulsions attosecondes, cela pouvant amener à mesurer une impulsion attoseconde plus courte qu'elle ne l'est en réalité.

L'enjeu de cette recherche est l'étude des couches tampons CeO2 et La2Zr2O7 pour supraconducteurs destinés au transport de l'énergie. Nous avons utilisé des méthodes douces et peu onéreuses pour l'élaboration des couches CeO2/SrTiO3 et La2Zr2O7/LaAlO3 tel que la méthode MOD (Metal Organic Deposition) qui s'avère bien adaptée pour la fabrication des couches tampons pour les supraconducteurs déposés (coated conductors). La comparaison de différents précurseurs de Cérium a été faite dans le but d'obtenir le précurseur adéquat pour le processus MOD. Le spin coating a été utilisé pour faire des dépôts de solution de précurseurs Ce(EH)3 et LZ(propionique) sur différents substrats. Les analyses thermogravimétriques des différents précurseurs ont permit la détermination du mode de décomposition (perte de masse en fonction de la température), d'estimer l'humidité absorbée par les précurseurs, de déterminer la température de cristallisation de l'oxyde et de discuter de la nature mixte ou pas du proprionate de lanthane-zirconium. L'analyse de microstructure et de la texture des films CeO2 et La2Zr2O7 est faite par diffraction des rayons X (balayages -2, -scan, -scan et figures de pôles). L'AFM et le MEB ont permis d'étudier la rugosité, la topologie et la morphologie de la surface. Le traitement thermique des couches tampons Ce(EH)3/SrTiO3 et (La(prop)3+ Zr(prop)4)/LAO sous différentes atmosphères nous a permis de différentier la croissance poly cristalline de la croissance épitaxiale. L'élimination du carbone résiduel dans les joints de grains bloquant la croissance des grains a été réalisée par le contrôle de la pression partielle d'oxygène lors du palier de cristallisation ; cette étape permet d'améliorer la texture des couches tampons. La vitesse de montée en température a une influence sur la nucléation dont l'influence a été étudiée. L'augmentation de la vitesse de montée favorise la nucléation hétérogène et diminue le nombre de nucléus, favorisant la naissance de grains épitaxiés plus gros. Finalement, on a réalisé des multicouches CeO2/La2Zr2O7/LaAlO3 et YBaCuO/CeO2/YSZ/IBAD pour valider les différents résultats obtenus.

La fonctionnalisation des biomatériaux est une stratégie probante et prometteuse développée pour favoriser l'intégration de biomatériaux dans un organisme vivant. Le dépôt de films multicouches de polyélectrolytes est une méthode de fonctionnalisation de surfaces particulièrement adaptée au recouvrement d'implants. Ces surfaces modifiées pourront ainsi interagir avec leur environnement biologique. Au cours de ce travail de thèse, nous avons développé un nouveau revêtement, à base de composés naturels, capable de recouvrir plusieurs types de surfaces. De plus, ces revêtements originaux peuvent être utilisés pour orienter certains phénomènes cellulaires. Dans la première partie de ce travail de thèse, nous avons mis au point un nouveau système de films multicouches à base de collagène et d'alginate. La réticulation chimique avec la génipine, un agent naturel d'origine végétale (Gardenia Jasminoide), stabilise ces constructions pour une utilisation en conditions physiologiques. Les études d'adhérence et de prolifération de cellules endothéliales humaines ont montré que ces revêtements à base de constituants naturels sont des supports adéquats en vue d'applications biomédicales. Nous avons ensuite déposé des films collagène/alginate sur des implants en titane précédemment recouvert d'un gel microporeux en poly(acide lactique). Nous avons pu montrer que les films collagène/alginate favorisent la prolifération de cellules épithéliales, ce qui permettrait une meilleure intégration des implants. Dans la deuxième partie de notre travail, nous avons développé une technique permettant d'obtenir des revêtements et des membranes à base de films multicouches collagène/alginate ayant des structures fibrillaires orientées. L'alignement fibrillaire s'obtient par simple étirement des substrats élastiques en poly(diméthyl siloxane) (PDMS) sur lesquels sont déposés les revêtements collagène/alginate. La déformation longitudinale du substrat induit un alignement préférentiel des fibrilles de collagène du revêtement. L'étude de l'influence du taux d'étirement sur l'alignement des fibres a montré qu'il était possible de moduler cet alignement. Enfin, nous avons observé que le comportement de différents types cellulaires (fibroblastes et astrocytes) est modifié par l'alignement fibrillaire. On note que les cellules s'alignent dans la même direction que les fibrilles de collagène. A l'évidence, l'organisation fibrillaire du revêtement conditionne la géométrie de l'étalement cellulaire. Les cellules s'allongent lorsque les fibrilles sont alignées. De plus, il apparaît que la direction des divisions cellulaires est guidée par la direction de l'alignement des fibrilles de collagène dans le revêtement étiré. Cela signifie que les cellules sont guidées par les fibrilles de collagène alignées.

Du fait de leurs excellentes propriétés mécaniques et de leurs faibles masses spécifiques, l’utilisation des matériaux composites, au sein des structures mécaniques, est en plein essor. Cependant, leur usinage entraine une usure prématurée et aléatoire des outils de coupes en cermet WC-Co. L’origine de cette étude provient de la nécessité de protéger leur surface par un revêtement dur et résistant comme, par exemple, le diamant NCD. Toutefois, le cobalt présent dans le carbure cémenté favorise la formation de graphite au niveau de l’interface avec le film de diamant, ce qui nuit à son adhérence. La méthode retenue afin d’isoler ce métal de la surface a été de réaliser des systèmes interfaciaux multicouches. Ces derniers sont composés d’une barrière de diffusion au cobalt en nitrure de tantale et/ou en nitrure de zirconium et d’une couche favorisant la germination du diamant en acier inoxydable ou en molybdène. Les protocoles de dépôt élaborés au cours de ce travail ont la particularité d’utiliser une polarisation négative et séquencée du substrat durant l’étape de croissance. Cela induit une morphologie originale au revêtement de diamant breveté sous le nom de PyrNCD (Brevet N° :FR0807181). Les objectifs de cette étude sont la compréhension de l’ensemble des mécanismes (influence de la solubilité du carbone sur la germination du diamant, l’effet de la polarisation sur le substrat revêtu et sur la croissance du diamant,…) intervenant durant le dépôt de diamant et l’optimisation du procédé. / The combination of good mechanical properties and low specific mass ensures the increasing use of composite materials to reduce the weight of mechanical structures. However, their machining induces premature and random wear of WC-Co cermet cutting-tools. The origin of this study comes from the necessity to protect cutting-tools surfaces by hard and resistant coatings like NCD diamond. Unfortunately, the cobalt found in these cemented carbides catalyses graphite formation at the interface with the diamond layer and harms the grip of the diamond film. The method used to isolate this metal from the surface has been to form interfacial multilayer systems. These are composed of a tantalum nitride and/or zirconium nitride diffusion barrier for cobalt and a layer promoting the diamond nucleation in molybdenum or stainless steel. The deposit protocols developed during this PhD work have the particularity of using a negative and sequenced substrate bias during the growth stage. This leads to an original morphology of the diamond coating which is patented under the name PyrNCD (International Patent N°: WO/2010/076423). The goal of this study is to understand all the mechanisms (like the impact of the carbon solubility on the diamond nucleation, the effects of negative bias on the coated substrate and the diamond growth,...) occurring during diamond deposition and process optimization.

La thèse est décomposée en trois parties. Dans la première partie, les modèles de la CUF sont présentés. La CUF permet d’obtenir, dans un formalisme générale, de nombreux modèles qui diffèrent 1) selon l’ordre d’expansion dans l'épaisseur choisie pour les variables primaires; 2) selon le type de modèle: modèles couche équivalente (ESL) ou couche discrète (LW); 3) selon le principe variationnel : “Principle of Virtual Displacements” (raffinée) ou “Reissner’s Mixed Variational Theorem” (avancée). Des géométries cylindrique et à double courbure sont traités. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'obtention des équations fondamentales en utilisant différentes méthodes: la méthode analytique de Navier et deux méthodes numériques approchées; la “Finite Element Method” (FEM) et la “Radial Basis Functions” (RBF). La méthode RBF est une méthode sans maillage “meshless” et peut être considérée comme une méthode alternative à la FEM. La FEM est la plus utilisée dans la littérature et le sujet principal de cette thèse.Dans la dernière partie, différents problèmes sont proposés. Navier est utilisé pour l’analyse thermomécanique de coques FGM, l’analyse de coques piézo-électrique et l’analyse dynamique de nanotubes de carbone. Un élément fini coque, présenté dans cette thèse, est utilisé pour l’analyse de coques composites et FGM. Les résultats obtenus démontrent la supériorité de cet élément par rapport aux éléments finis basés sur les théories classiques pour l’analyse des matériaux avancés. Enfin, la méthode RBF est utilisée pour l’analyse de coques composites, permettant d'illustrer l'avantage des méthodes sans maillage. / The dissertation is organized in three main parts. In the first part, the shell models contained in the CUF are presented. The CUF permits to obtain, in a general and unified manner, several models that can differ by 1) the chosen order of expansion in the thickness direction, 2) the equivalent single layer or layer wise approach and 3) the variational statement used: “Principle of Virtual Displacements” (refined models) or “Reissner’s Mixed Variational Theorem” (advanced models). Both the cylindrical and the double-curvature geometries are considered. The second part is devoted to the derivation of the governing equations by means of different methods: an analytical method, that is the Navier method, and two approximated numerical methods, that are the Finite Element Method (FEM) and the Radial Basis Functions (RBF) method. The RBF method is based on a meshless approach and it can be considered a good alternative to the FEM. The finite element method is the most common method used in literature and it is the main topic of this thesis. In the last part, different problems are analyzed. The thermo-mechanical analysis of FGM shells, the electromechanical analysis of piezoelectric shells and the dynamic analysis of carbon nanotubes are performed by means of the Navier method. Then, the CUF shell finite element, presented in this thesis, is tested and used for the analysis of composite and FGM shells. The superiority of this element in respect to finite elements based on classical theories is shown. Finally, the RBF method is combined with the CUF for the analysis of composite and FGM shells in order to overcome the numerical problems relative to the mesh that usually affect the finite elements.

Les multicouches de graphène en empilement rhomboédrique sont considérés comme une phase prometteuse du carbone. Cela est due à la particularité de cette phase de pouvoir exhiber des états à forte corrélation électronique comme le magnétisme ou la supraconductivité à haute température critique. Ce qui est due, a son tour, à l’occurrence d’un état de surface avec une dispersion d’énergie électroniques quasi-nulle à proximité du niveau de Fermi. Malgré que le graphite Bernal soit la forme la plus stable du graphite, des échantillons a trois et quatre couches de graphène en empilement rhomboédrique ont pu être synthétisés. Plus récemment, des flocons d’épaisseur dépassant les 17 couches ont été isolés et provisoirement attribués à des séquences d’empilement rhomboédrique. Cette attribution à été faite via des expériences de spectroscopie Raman sous champ magnétique, bien que l’empreinte Raman des multicouche de graphène en empilement rhomboédrique est actuellement inconnue. Même le cas simple du spectre Raman résonnant à deux phonons (le pic 2D) du graphite Bernal n’est pas totalement compris. Dans ce travail de thèse, nous fournissons une description ab-initio complète du pic Raman 2D dans les systèmes de graphène à trois et quatre couches pour tous les empilements possibles, ainsi que pour le graphite Bernal, rhomboédrique et une alternance de graphite Bernal et rhomboédrique. / Multi-layer graphene with rhombohedral ABC stacking is considered as a promising carbon phase possibly displaying correlated states like magnetism or high-T c superconductivity due to the occurrence of an ultraflat electronic surface band at the Fermi level. Despite Bernal graphite being the most stable form of graphite, three and four layers graphene samples with rhombohedral stacking can be synthesized. Recently, flakes of thickness up to 17 layers were tentatively attributed ABC sequences although the Raman fingerprint of rhombohedral multilayer graphene is currently unknown and the 2D two-phonon resonant Raman spectrum of Bernal graphite not completely theoretically understood. Here we provide a complete first principles description of the 2D Raman peak in three and four layer graphene for all possible stackings, as well as for bulk Bernal, rhombohedral and an alternation of Bernal and rhombohedral graphite, that can be seen as a periodic sequence of ABA and ABC trilayers. Calculations for several laser energies are performed and we give practical prescriptions are proposed to identify long range sequences of ABC multi-layer graphene flakes.