Le remplissage des nanotubes de carbone (NTC) est considéré comme une approche relativement simple permettant de synthétiser des nanocristaux du fait de l'effet de confinement 1D imposé par la cavité centrale des NTC, qui peut être seulement de l'ordre du nanomètre ou moins, notamment dans le cas des NTC monoparoi et en particulier des NTC biparois (DWCNT) sur lesquels nous avons concentré nos efforts. De tels nanocristaux devraient avoir des propriétés physiques (électriques, magnétiques) différentes de celles de leurs équivalents à l'état massif du fait de la modification de la coordinence des atomes ou des ions les composant. Parmi les différentes méthodes existantes pour le remplissage des NTC, (in situ pendant la synthèse, a posteriori à partir de solutions), la méthode faisant intervenir des matériaux fondus est la plus populaire pour le remplissage par des matériaux inorganiques. Elle permet en effet d'atteindre des taux de remplissage raisonnablement élevés et demeure assez simple à mettre en œuvre. Cependant, elle fait preuve d'un certain nombre de limitations (techniques) qui posent problème dans le cas de matériaux à haut point de fusion (typiquement > 1000°C), dont la réactivité avec le carbone à haute température pourrait être gênante (carboréduction des oxydes par exemples), ou encore dont la faible mouillabilité vis-à-vis du carbone à l'état fondu est rédhibitoire (métaux par exemple). Il est possible de palier à cette difficulté en procédant par étapes successives et en remplissant d'abord les NTC avec un précurseur puis d'utiliser la cavité interne des NTC comme des nanoréacteurs afin de procéder dans un second temps à une transformation in situ. Dans ces travaux, nous avons étudié (1) le remplissage de DWCNT avec de l'iode ainsi qu'avec différents iodures métalliques en mettant en œuvre essentiellement la méthode des sels fondus. Nous avons étudié en détails l'influence des paramètres physico-chimiques du matériau de remplissage (réactivité chimique sous la forme en particulier du potentiel rédox du couple iodure métallique / métal, mais aussi viscosité, tension de surface, pression de vapeur saturante en milieu fondu) mais aussi du NTC (texture cylindrique ou "en arrêtes de poisson", diamètre, nombre de parois) sur le taux de remplissage. (2) Nous avons étudié en détail un certain nombre de structures inhabituelles de nanomatériaux confinés dans les DWCNT, en faisant appel à la modélisation structurale et à la simulation d'images de microscopie électronique sur la base de ces modèles pour guider notre analyse. (3) Nous avons enfin étudié différentes réactions in situ dans les DWCNT telles que la sulfuration, la réduction sous hydrogène ou encore la fluoration afin de synthétiser des nanocristaux originaux et de les caractériser en détails à l'aide d'outils tels que par exemple le MET Haute Résolution et la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS). / Filling carbon nanotubes (CNTs) has been considered as an easy approach to synthesize various nanocrystals since the inserted materials are forced to adopt a nearly one-dimensional morphology arising from their very high aspect ratio, especially in the case of single-walled CNTs (SWCNTs) or double-walled CNTs (DWCNTs). Nanocrystals/nanowires of transition metals, especially those with very narrow diameters, are predicted to exhibit peculiar magnetic property differing from the bulk metals. Filling CNTs provides a possible way for the synthesis of such metal nanocrystals/nanowires. There are several methods for filling CNTs including the in situ method, gas phase method, molten phase method, solution method, etc. Among them, molten phase has been very popular for filling various types of nanotubes due to the possibility to reach high filling rates, simplicity and versatility. However, for materials with high melting point such as metals, it is difficult to insert them into CNTs directly. To solve this problem, we also took advantage of the inner cavity of CNTs which not only templates the growth but also acts as a nanoreactor in order to perform chemical reactions. The insertion of materials with high melting point is typically achieved by first filling CNTs with a precursor, and then transforming the precursor into the desired 1D nanostructure by post-treatments. In this thesis, (i) filling DWCNTs with iodine and various halides via the molten phase method was performed and the influence of the relevant physical and chemical properties of the halides on the filling rate was investigated. The role of the redox potential as a main parameter driving the filling efficiency is pointed out, and explained; (ii) peculiar structures of the nanocrystals confined within DWCNTs were imaged by transmission electron microscopy (TEM) and corresponding modeling of the observed crystal nanostructures and related TEM images were proposed; (iii) different in situ transformations on the iodide-filled DWCNTs were attempted and the chemical composition of the encapsulated 1D nanocrystals before and after post-filling treatments was systematically identified by means of electron energy loss spectroscopy (EELS).

Mon activité de recherche fondamentale dans le groupe de théorie du Laboratoire des Solides Irradiés concerne l'étude des propriétés des matériaux d'intérêt pour le CEA, dans les domaines du nucléaire ou de la nanoélectronique. Elle a pour objectif d'atteindre une description théorique -sans paramètre ajustable- des processus contrôlant l'excitation électronique, ainsi que la relaxation -ou désexcitation- électronique, et couvre: - Les propriétés de la matière hors excitation - l'état fondamental; - Les propriétés de l'état excité, abordées sous l'angle de la spectroscopie pour les électrons de valence; - Les vibrations collectives des atomes, leur couplage avec les électrons, et leurs effets sur le transport électronique ou la relaxation électronique. Ces études requièrent un environnement de calcul intensif et l'accès aux ordinateurs du Grand Equipement National de Calcul Intensif GENCI. Dans ce manuscrit, est d'abord rappelé comment calculer la fonction diélectrique inverse en théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps, et quel est le lien avec la fonction de perte électronique observée. Des résultats théoriques sur la fonction diélectrique inverse dans des oxydes non corrélés représentés par le dioxyde de titane TiO$_2$ et la zircone ZrO$_2$ sont décrits. Ensuite sont donnés les principaux résultats théoriques pour les calculs de spectres d'absorption optique pour l'oxyde de cuivre Cu$_2$O et la zircone ZrO$_2$. J'y présente une nouvelle interprétation de travail sur le noyau permettant de modéliser les effets excitoniques en théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps. Enfin, les derniers calculs menés sur les carbures de bore sont rappelés.

Les dévellopements récents des faisceaux exotiques, et en particulier avec le dispositif SPIRAL du GANIL, nous ont permis d'initier l'étude, dans l'9He, de l'inversion de couches déjà observée dans les isotone N=7, pour le 11Be et le 10Li. Une partie du travail est consacré à l'étude et au développement d'un détecteur servant aussi de cible (cible active) appelé MAYA, ainsi qu'au développement des outils informatiques nécessaires à son exploitation. l'9He a été étudier par la détermination des propriétés de ses états isobariques analogues (IAS) dans le 9Li. Les caractéristiques de ces états IAS sont obtenues par l'analyse des résonances dans les sections efficaces de diffusion élastique, du système 8He+p entre 2 et 3.9 MeV/n. Une étude rapide des réaction (p,d) et (p,t) est aussi présenté. Cette étude a permis, par la comparaison des résultats expérimentaux et des calculs de diffusion potentielle avec résonances, une assignation de spin et parité pour deux états de l'9He.

L'utilisation de protons dans le traitement du cancer est largement reconnue grâce au parcours fini des protons dans la matière. Pour la planification du traitement par protons, l'incertitude dans la détermination de la longueur du parcours des protons provient principalement de l'inexactitude dans la conversion des unités Hounsfield (obtenues à partir de tomographie rayons X) en pouvoir d'arrêt des protons. La tomographie proton (pCT) est une solution attrayante car cette modalité reconstruit directement la carte du pouvoir d'arrêt relatif à l'eau (RSP) de l'objet. La technique pCT classique est basée sur la mesure de la perte d'énergie des protons pour reconstruire la carte du RSP de l'objet. En plus de la perte d'énergie, les protons subissent également des diffusions coulombiennes multiples et des interactions nucléaires qui pourraient révéler d'autres propriétés intéressantes des matériaux non visibles avec les cartes de RSP. Ce travail de thèse a consisté à étudier les interactions de protons au travers de simulations Monte Carlo par le logiciel GATE et d'utiliser ces informations pour reconstruire une carte de l'objet par rétroprojection filtrée le long des chemins les plus vraisemblables des protons. Mise à part la méthode pCT conventionnelle par perte d'énergie, deux modalités de pCT ont été étudiées et mises en œuvre. La première est la pCT par atténuation qui est réalisée en utilisant l'atténuation des protons pour reconstruire le coefficient d'atténuation linéique des interactions nucléaires de l'objet. La deuxième modalité pCT est appelée pCT par diffusion qui est effectuée en mesurant la variation angulaire due à la diffusion coulombienne pour reconstruire la carte de pouvoir de diffusion, liée à la longueur de radiation du matériau. L'exactitude, la précision et la résolution spatiale des images reconstruites à partir des deux modalités de pCT ont été évaluées qualitativement et quantitativement et comparées à la pCT conventionnelle par perte d'énergie. Alors que la pCT par perte d'énergie fournit déjà les informations nécessaires pour calculer la longueur du parcours des protons pour la planification du traitement, la pCT par atténuation et par diffusion donnent des informations complémentaires sur l'objet. D'une part, les images pCT par diffusion et par atténuation fournissent une information supplémentaire intrinsèque aux matériaux de l'objet. D'autre part, dans certains des cas étudiés, les images pCT par atténuation démontrent une meilleure résolution spatiale dont l'information fournie compléterait celle de la pCT par perte d'énergie. / The use of protons in cancer treatment has been widely recognized thanks to the precise stopping range of protons in matter. In proton therapy treatment planning, the uncertainty in determining the range mainly stems from the inaccuracy in the conversion of the Hounsfield units obtained from x-ray computed tomography to proton stopping power. Proton CT (pCT) has been an attractive solution as this modality directly reconstructs the relative stopping power (RSP) map of the object. The conventional pCT technique is based on measurements of the energy loss of protons to reconstruct the RSP map of the object. In addition to energy loss, protons also undergo multiple Coulomb scattering and nuclear interactions which could reveal other interesting properties of the materials not visible with the RSP maps. This PhD work is to investigate proton interactions through Monte Carlo simulations in GATE and to use this information to reconstruct a map of the object through filtered back-projection along the most likely proton paths. Aside from the conventional energy-loss pCT, two pCT modalities have been investigated and implemented. The first one is called attenuation pCT which is carried out by using the attenuation of protons to reconstruct the linear inelastic nuclear cross-section map of the object. The second pCT modality is called scattering pCT which is performed by utilizing proton scattering by measuring the angular variance to reconstruct the relative scattering power map which is related to the radiation length of the material. The accuracy, precision and spatial resolution of the images reconstructed from the two pCT modalities were evaluated qualitatively and quantitatively and compared with the conventional energy-loss pCT. While energy-loss pCT already provides the information needed to calculate the proton range for treatment planning, attenuation pCT and scattering pCT give complementary information about the object. For one, scattering pCT and attenuation pCT images provide an additional information intrinsic to the materials in the object. Another is that, in some studied cases, attenuation pCT images demonstrate a better spatial resolution and showed features that would supplement energy-loss pCT reconstructions.

Les objectifs de ce travail sont d'une part d'étudier la structure électronique de carbures de titane bidimensionnels appartenant à la famille des MXènes, et d'autre part de synthétiser des films minces pour caractériser certaines de leurs propriétés. L'étude de la structure électronique a été réalisée sur le système Ti3C2T2 avec une attention particulière portée aux groupements de surface T (T=OH, F ou O) en comparant les résultats obtenus par spectroscopie de perte d'énergie des électrons à ceux des calculs ab initio. Cette étude, portée à la fois sur les excitations du gaz d'électrons de valence et des électrons de coeur, a permis de mettre en évidence la localisation des groupements de surface, ainsi que leur influence sur la structure électronique du MXene. La comparaison des simulations et des spectres expérimentaux a également permis de caractériser la nature chimique des groupements de surface. Enfin, la limite d'une telle étude est discutée en considérant les phénomènes d'irradiation responsables de la perte d'atomes d'hydrogène. La synthèse d'échantillons modèles nécessite la synthèse préalable d'un film mince de phase MAX précurseur pour le MXene : nous avons choisi la phase Ti2AlC, précurseur de Ti2C. La synthèse de Ti2AlC a été réalisée par recuit ex-situ de systèmes multicouches déposés à température ambiante. Les films ont été caractérisés par diffraction des rayons X et microscopie électronique en transmission. Au-delà de l'obtention d'un film mince de Ti2AlC texturé, cette étude a permis de montrer que la phase recherchée était obtenue via des mécanismes d'interdiffusions induisant la formation d'une solution solide métastable vers 400°C qui se transforme en phase MAX vers 600°C. Enfin, l'application de ce procédé à la phase V2AlC a permis de montrer l'importance de l'orientation de la phase initiale pour l'obtention d'un film mince texturé. / The aim of this work is at first to study the electronic structure of bidimensional titanium carbide systems, belonging to the MXene family and also to synthesize thin films of such new materials to characterize their properties. The study of the electronic structure has been performed for the Ti3C2T2 MXene with a special attention to the T surface groups by using a combination of electron energy loss spectroscopy and ab initio calculations. This study, focused on both valence and core electrons excitations, enabled the identification of the surface group localization, their influence on the MXene electronic structure as well as their chemical nature. The limits of our TEM-based study is also discussed in view of irradiation phenomena which induce the loss of hydrogen atoms. The synthesis of a MXene thin film requires, beforehand, that of a MAX phase thin film: we opted for Ti2AlC, the precursor for the Ti2C MXene. The MAX phase thin film synthesis was carried out by ex-situ annealing of a multilayer layers. X-ray diffraction experiments and cross-sectional transmission electron microscopy observations show that a highly textured Ti2AlC thin film is obtained above 600°C after the formation, at 400°C, of a metastable solid solution. Finally, by using the same process for V2AlC, we demonstrate that the initial phase orientation plays a key role for the texture of the thin film so obtained.

Les preuves pour l'existence de la matière noire (MN), sous forme d'une particule inconnue qui rempli les halos galactiques, sont issues d'observations astrophysiques et cosmologiques: son effet gravitationnel est visible dans les rotations des galaxies, des amas de galaxies et dans la formation des grandes structures de l'univers. Une manifestation non-gravitationnelle de sa présence n'a pas encore été découverte. L'une des techniques les plus prometteuse est la détection indirecte de la MN, consistant à identifier des excès dans les flux de rayons cosmiques pouvant provenir de l'annihilation ou la désintégration de la MN dans le halo de la Voie Lactée. Les efforts expérimentaux actuels se focalisent principalement sur une gamme d'énergie de l'ordre du GeV au TeV, où un signal de WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) est attendu. L'analyse des mesures récentes et inédites des rayons cosmiques chargés (antiprotons, électrons et positrons) et leurs émissions secondaires et les améliorations des modèles astrophysiques sont présentées.Les données de PAMELA sur les antiprotons contraignent l'annihilation et la désintégration de la MN de manière similaire (et même légèrement meilleurs) que les contraintes les plus fortes venant des rayons gamma, même dans le cas où les énergies cinétiques inférieures à 10 GeV sont écartées. En choisissant des paramètres astrophysiques différents (modèles de propagation et profils de MN), les contraintes peuvent changer d'un à deux ordres de grandeur. Pour exploiter la totalité de la capacité des antiprotons à contraindre la MN, des effets précédemment négligés sont incorporés et se révèlent être importants dans l'analyse des données inédites de AMS-02 : ajouter les pertes d'énergie, la diffusion dans l'espace des moments et la modulation solaire peut modifier les contraintes, même à de hautes masses. Une mauvaise interprétation des données peut survenir si ces effets ne sont pas pris en compte. Avec les flux de protons et d'hélium exposé par AMS-02, le fond astrophysique et ces incertitudes du ratio antiprotons sur protons sont réévalués et comparés aux données inédites de AMS-02. Aucune indication pour un excès n'est trouvé. Une préférence pour un halo confinant plus large et une dépendance en énergie du coefficient de diffusion plus plate apparaissent. De nouvelles contraintes sur l'annihilation et la désintégration de la MN sont ainsi dérivés.Les émissions secondaires des électrons et des positrons peuvent aussi contraindre l'annihilation et la désintégration de la MN dans le halo galactique : le signal radio dû à la radiation synchrotron des électrons et positrons dans le champs magnétique galactique, les rayons gamma des processus de bremsstrahlung avec le gas galactique et de Compton Inverse avec le champs radiatif interstellaire sont considérés. Différentes configurations de champs magnétique galactique et de modèles de propagation et des cartes de gas et de champs radiatif interstellaire améliorés sont utilisées pour obtenir des outils permettant le calculs des émissions synchrotrons et bremsstrahlung venant de MN de type WIMP. Tous les résultats numériques sont incorporés dans la dernière version du Poor Particle Physicist Coookbook for DM Indirect Detection (PPPC4DMID).Une interprétation d'un possible excès dans les données de rayons gamma de Fermi-LAT au centre galactique comme étant dû à l'annihilation de MN en canaux hadronique et leptonique est analysée. Dans une approche de messagers multiples, le calcul des émissions secondaires est amélioré et se révèle être important pour la détermination du spectre pour le canal leptonique. Ensuite, les limites provenant des antiprotons sur l'annihilation en canal hadronique contraignent sévèrement l'interprétation de cet excès comme étant dû à la MN, dans le cas de paramètres de propagation et de modulation solaire standards. Avec un choix plus conservatif de ces paramètres elles s'assouplissent considérablement. / Overwhelming evidence for the existence of Dark Matter (DM), in the form of an unknownparticle filling the galactic halos, originates from many observations in astrophysics and cosmology: its gravitational effects are apparent on galactic rotations, in galaxy clusters and in shaping the large scale structure of the Universe. On the other hand, a non-gravitational manifestation of its presence is yet to be unveiled. One of the most promising techniques is the one of indirect detection, aimed at identifying excesses in cosmic ray fluxes which could possibly be produced by DM annihilations or decays in the Milky Way halo. The current experimental efforts mainly focus in the GeV to TeV energy range, which is also where signals from WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) are expected. Focussing on charged cosmic rays, in particular antiprotons, electrons and positrons, as well as their secondary emissions, an analysis of current and forseen cosmic ray measurements and improvements on astrophysical models are presented. Antiproton data from PAMELA imposes contraints on annihilating and decaying DM which are similar to (or even slightly stronger than) the most stringent bounds from gamma ray experiments, even when kinetic energies below 10 GeV are discarded. However, choosing different sets of astrophysical parameters, in the form of propagation models and halo profiles, allows the contraints to span over one or two orders of magnitude. In order to exploit fully the power of antiprotons to constrain or discover DM, effects which were previously perceived as subleading turn out to be relevant especially for the analysis of the newly released AMS-02 data. In fact, including energy losses, diffusive reaccelleration and solar modulation can somewhat modify the current bounds, even at large DM masses. A wrong interpretation of the data may arise if they are not taken into account. Finally, using the updated proton and helium fluxes just released by the AMS-02 experiment, the astrophysical antiproton to proton ratio and its uncertainties are reevaluated and compared to the preliminarly reported AMS-02 measurements. No unambiguous evidence for a significant excess with respect to expectations is found. Yet, some preference for thicker halos and a flatter energy dependence of the diffusion coefficient starts to emerge. New stringed constraints on DM annihilation and decay are derived. Secondary emissions from electrons and positrons can also be used to constrain DM annihilation or decay in the galactic halo. The radio signal due to synchrotron radiation of electrons and positrons on the galactic magnetic field, gamma rays from bremsstrahlung processes on the galactic gas densities and from Inverse Compton scattering processes on the interstellar radiation field are considered. With several magnetic field configurations, propagation scenarios and improved gas density maps and interstellar radiation field, state-of-art tools allowing the computaion of synchrotron and bremssttrahlung radiation for any WIMP DM model are provided. All numerical results for DM are incorporated in the release of the Poor Particle Physicist Coookbook for DM Indirect Detection (PPPC4DMID). Finally, the possible GeV gamma-ray excess identified in the Fermi-LAT data from the Galactic Center in terms of DM annihilation, either in hadronic or leptonic channels is studied. In order to test this tantalizing interprestation, a multi-messenger approach is used: first, the computation of secondary emisison from DM with respect to previous works confirms it to be relevant for determining the DM spectrum in leptonic channels. Second, limits from antiprotons severely constrain the DM interpretation of the excess in the hadronic channel, for standard assumptions on the Galactic propagation parameters and solar modulation. However, they considerably relax if more conservative choices are adopted.