L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier l'évolution du graphite intercalé avec des atomes alcalins (Li, Rb et Cs) sous haute pression et haute température, procédé susceptible de conduire aux clathrates de carbone, matériaux formés de nano-cages de type sp3 aux propriétés mécaniques proches du diamant et potentiellement supraconducteur à haute température. L'évolution complexe des propriétés structurales et électroniques sous pression des composés CsC8 et RbC8 a été mise en évidence grâce à l'utilisation de sondes locales (spectroscopies d'absoprtion X et Raman) et de sondes à longue distance (diffraction de rayons X et de neutrons). Des nouvelles informations jusqu'à 32 GPa et 16 GPa portant sur le transfert de charge, l'équation d'état, les transitions structurales de CsC8 et RbC8 respectivemement sont apportées. Des calculs ab initio réalisés sur ces clathrates de carbone afin d'étudier leur stabilité ainsi que leurs propriétés sous pression ont permis d'obtenir des indications concernant leur synthèse.

Le microscope à effet tunnel (STM) permet une analyse spatiale et spectroscopique de surfaces à l'échelle atomique. Mise en évidence peu après l'invention du STM, la lumière émise par la jonction tunnel contient des informations pertinentes sur les propriétés électroniques et optiques de surfaces ou de nano-objets.<br /><br />La thématique dans laquelle s'inscrit cette thèse est la luminescence induite par STM sur substrat semiconducteur à large bande interdite. Les travaux ont porté sur la reconstruction de surface SiC(0001)3x3 du carbure de silicium (SiC) et s'articulent autour de trois parties.<br /><br />La première partie est consacrée à l'étude de la luminescence de la jonction tunnel métal/vide/SiC(0001)3x3. Cette étude, en parallèle à des mesures de spectroscopie tunnel, a mis en évidence les mécanismes et propriétés de transport électronique le long des états de surface du SiC.<br /><br />Une deuxième partie est dédiée à l'adsorption de molécules organiques sur la surface SiC(0001)3x3. La fonctionnalisation organique du SiC est une étape indispensable pour l'étude de molécules individuelles mais aussi pour la conception de matériaux hybrides organique/inorganique. La résolution submoléculaire du STM associée à des calculs ab initio en collaboration ont dégagé un modèle de chimisorption détaillé de la phthalocyanine hydrogénée.<br /><br />La dernière partie décrit des simulations numériques, basées sur le formalisme des tenseurs de Green, de la lumière émise par la jonction tunnel. Ces travaux ont permis de modéliser d'une part l'influence de la forme de la pointe du STM sur le spectre de la lumière émise, d'autre part l'inhibition de la fluorescence de molécules individuelles excitées par STM.

Des mesures de nanocalorimétrie ont été effectuées sur des systèmes composés d'assemblées de supraconducteurs mésoscopiques: anneaux et disques d'aluminium de diamètres comparables à la longueur de cohérence à température nulle de l'aluminium ($\xi(0)\approx 160$ nm). Nous montrons que la capacité calorifique $C$ de ces systèmes est modulée par un champ magnétique $H$ perpendiculaire aux structures, et il s'agit de la première démonstration expérimentale d'une signature thermique du caractère mésoscopique de ce type de systèmes. Les caractéristiques des modulations de $C$ observées (allure, période, pseudo-période, amplitude...) varient en fonction de la taille des systèmes, mais aussi de leur géométrie ou de leur topologie. Loin de la température critique, les oscillations ont pour origine la pénétration ou l'expulsion de vortex, de manière à respecter la contrainte de quantification du fluxoïde en unités du quantum de flux supraconducteur $\Phi_0=h/2e$. Les mesures de $C$ peuvent être interprétées dans le cadre de la théorie de Ginzburg-Landau, qui nous apprend que les états occupés par les systèmes sont le plus souvent métastables. Cela se traduit par l'observation de courbes $C(H)$ de période plus importante que prévu, et par des phénomènes d'hystérésis. Plus près de la température critique, les oscillations de $C(H)$ sont attribuées à l'effet Little-Parks, c'est à dire l'oscillation $\Phi_0$-périodique de la température critique d'un anneau ou cylindre traversé par un flux magnétique; nous présentons en fait la première démonstration expérimentale de l'effet Little-Parks sur un système mésoscopique non connecté à des réservoirs d'électrons.

Les fluctuations de point zéro de la charge sur la capacité d'une jonction tunnel connectée à un circuit de polarisation sont, dans quasiment toutes les situations expérimentales, supérieures à la charge de l'électron. De ce fait, les effets de la granularité de l'électricité sont masqués, sauf dans les circuits qui contiennent une «île», électrode connectée au reste du circuit seulement par des jonctions tunnel et des capacités. La charge de l'île étant quantifiée, ses fluctuations sont bloquées. Si la capacité de l'île est suffisamment petite et la température suffisamment basse, aucun électron ne peut pénétrer sur l'île par effet tunnel à cause de l'accroissement d'énergie électrostatique que cela entraînerait. Nous avons observé cet effet, appelé «blocage de Coulomb», dans la «boîte à électrons», où une île est délimitée par une jonction tunnel et une capacité. Une source de tension couplée à l'île à travers la capacité permet d'y contrôler le nombre d'électrons. Nous avons conçu et fait fonctionner deux dispositifs à jonctions tunnel nanométriques basés sur ce principe, le «tourniquet» et la «pompe», à travers lesquels le courant est contrôlé électron par électron. Dans nos expériences, la précision du transfert est de l'ordre du pourcent. Elle devrait être un million de fois plus grande dans des versions de ces dispositifs comportant plus de jonctions. On pourrait alors les utiliser pour une nouvelle mesure de la constante de structure fine alpha.

Ce document retrace mes activités d'enseignement effectuées depuis ma nomination à l'Institut National des Sciences Appliquées (INSA) de Lyon comme Maître de Conférences ainsi que mes activités de recherche menées au sein du Centre de Génie Electrique de Lyon (CEGELY), UMR CNRS 5005, devenu le Laboratoire Ampère depuis janvier 2007.<br /><br />La première partie dresse un bilan de mon parcours professionnel, de mes activités de recherche, de mes activités d'encadrement, de ma participation à l'administration et de mes activités d'enseignement.<br /><br />La seconde partie est consacrée à une présentation thématique des travaux menés dans les trois axes de recherche suivants : la commande pour des entraînements électriques, la commande des systèmes dynamiques hybrides et la commande des convertisseurs de puissance à découpage.<br /><br />Ma contribution scientifique à travers des publications et des communications sera listée dans la troisième partie.

" Because technology provides the tools and biology the problems, the two should enjoy a happy marriage ! "1 . Cette phrase resume parfaitement l'esprit du projet qui a motive ces travaux de these. En effet, le couplage des biotechnologies et des micro et nano technologies, resume sous le vocable < Nanobiotechnologies > est une activite en plein essor qui laisse presager de nombreuses applications en particulier dans le domaine de la biodetection. Lobjectif principal de ces travaux est dedie au developpement de strategies d'adressage de biomolecules a l'echelle nanometrique pour des applications de biodetection. Le premier aspect de ce travail est d'ordre technologique. Il concerne la fabrication de dispositifs d'adressage bases sur des reseaux de nanoelectrodes planaires. En utilisant un procede reposant sur lutilisation de la lithographie electronique haute resolution sur un microscope TEM/STEM, nous avons pu demontrer la fabrication de dispositifs a base de nanoelectrodes presentant des espaces inter-electrodes controlables entre 100 et 15nm. Une technique de lithographie alternative, la Nano-Impression est egalement presentee comme une solution possible a la replication de nanodispositifs fabriques par lithographie electronique. La deuxieme partie des travaux est dediee a la mise en place dun schema de detection de nanoparticules que nous avons developpe autour de dispositifs bases sur des reseaux delectrodes inter-digitees. Avant de nous interesser a l'utilisation de ces dispositifs pour une application biologique, nous avons etudie leur reponse electrique vis-a-vis de l'absorption de nanoparticules d'Or par interaction electrostatique. Les premiers resultats obtenus montrent que le schema de detection permet d'atteindre un niveau de sensibilite ultime au travers d'une mesure directe de la conductance des dispositifs. Certaines experiences montrent en effet la possibilite de mesurer electriquement l'adsorption d'une seule nanoparticule. Enfin, la derniere partie de ces travaux est dediee a l'adaptation de ce protocole pour la detection de biomolecules fonctionnalisees par des nanoparticules d'Or. Pour cela, nous avons employe une approche simple basee sur un systeme de reconnaissance entre une molecule cible et une molecule sonde. Ce schema a ete applique a la detection d'interaction antigene/anticorps et nous a permis de transcrire la selectivite de la reconnaissance entre les anticorps dans le depot des nanoparticules qui se traduit par une modification importante de la conductance du dispositif. Les possibilites d'integration ainsi que la compatibilite des dispositifs avec des systemes de microfluidique rendent ce schema de detection particulierement adapte pour le developpement d'un systeme integre de biodetection a tres haute sensibilite. 1 S. Fields, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol 98, pp 10051-10054 (2001)

Les progrès réalisés tant sur les chaînes laser infrarouges, que dans la maîtrise et la compréhension des sources X-UV pompées par laser ont permis la construction d'une station laser X-UV dédiée aux applications à l'Université Paris XI. Mon travail de thèse s'inscrit dans le développement de cette station et plus particulièrement sur la caractérisation d'un amplificateur plasma laser X-UV.<br />L'étude expérimentale concerne l'amélioration du couplage du laser infrarouge de pompe avec le plasma dans le cadre de la génération d'un laser X-UV en régime collisionnel transitoire. Ces lasers X-UV sont générés dans un plasma formé par l'interaction d'une cible solide et d'une impulsion laser d'environ 500 ps de durée, suivie d'une seconde impulsion laser infrarouge dite de pompe (~5ps) arrivant sur la cible en incidence rasante. Pour la première fois, une étude paramétrique complète a été entreprise sur l'influence de l'angle de rasance sur la création du milieu amplificateur. Un des résultats de cette étude a été d'atteindre des brillances pics très élevées de l'ordre de 1 x 10^{28} photons/s/mm²/mrad²/(0.1%bandwidth), comparables aux brillances des lasers à électron libres. De plus, nous avons modifié puis utilisé un nouveau code hydrodynamique bidimensionnel eulérien à mailles raffinées dynamiquement au cours du temps (AMR) afin de comprendre l'influence des propriétés spatio-temporelles du laser infrarouge sur la formation et l'évolution du plasma amplificateur. Nos modélisations ont mis en évidence l'intérêt d'utiliser un profil super gaussien pour la ligne focale produisant une augmentation d'un facteur deux de la dimension de la zone de gain et une réduction des gradients de densité de<br />trois ordres de grandeur. Ces améliorations devraient accroître fortement l'énergie contenue dans le faisceau laser X-UV.<br />L'amélioration de la connaissance de la physique des matériaux ou des biomolécules tirera profit de l'outil que le rayonnement laser dans le domaine X-UV est en passe de devenir. Nous avons ainsi utilisé le laser X-UV pour étudier l'apparition de défauts transitoires produits par un laser IR en face arrière d'un miroir. Nous avons aussi débuté des recherches sur les mécanismes d'endommagement de l'ADN lors de son irradiation par un rayonnement X-UV très intense.

Ce manuscrit décrit le développement de la technique d'Imagerie Photothermique<br />Hétérodyne (PHI). Cette nouvelle méthode optique en champ lointain permet de détecter une<br />grande variété de nano-objets individuels absorbants (nanoparticules métalliques jusqu'à 1.4 nm<br />de diamètre, nanocristaux semiconducteurs, nanotubes de carbone métalliques et semiconducteurs,.<br />. .), sur un fond « noir », avec un très bon rapport signal à bruit. Le signal photothermique<br />a été caractérisé expérimentalement sur des nanoparticules d'or individuelles. Les mesures obtenues<br />sont comparées à des calculs analytiques issus d'un modèle électrodynamique. Etant donné<br />que ce signal est directement proportionnel à la puissance absorbée, la méthode PHI ouvre la<br />voie à des expériences de spectroscopie d'absorption à l'échelle du nano-objet individuel. Dans<br />un premier temps, nous avons sondé la résonance plasmon de surface de nanoparticules d'or<br />individuelles de 5 à 33 nm de diamètre. Cette étude a abouti à l'observation d'effets de taille<br />intrinsèques, analysés dans le cadre de la théorie de Mie. Nous avons ensuite mesuré les spectres<br />d'absorption de nanocristaux individuels de CdSe en régime multiexcitonique. Pour un même<br />nanocristal, la comparaison des spectres d'absorption photothermique et d'émission permet de<br />discuter l'origine physique du signal photothermique. Enfin, nous avons caractérisé la structure<br />de nanotubes de carbone semiconducteurs et métalliques individuels en analysant leurs spectres<br />d'absorption autour de leurs premières résonances optiques.

Les fibres à cristaux photoniques (PCF) et autres fibres fortement non-linéaires conventionnelles (HNLF) représentent une nouvelle catégorie de guides d'ondes optiques qui possèdent des caractéristiques de dispersion et de non-linéarité inédites. Elles permettent, en effet, d'accroître fortement les effets non-linéaires avec des paramètres de dispersion multiples. De nombreux travaux récents ont déjà exploité ces propriétés pour la génération de spectres à très large bande au moyen de la génération de supercontinuum. L'étude de tels élargissements spectraux, en particulier dans les PCF, nécessite alors une modélisation précise de la propagation des impulsions. L'extension des modèles existants basés sur l'équation non-linéaire d'enveloppe de Schrödinger a été réalisée pour inclure des effets tels que de la dépendance en fréquence de l'aire effective du mode guidé et la génération de troisième harmonique. Les conséquences de tels effets sont décrites ainsi que de nouvelles perspectives pour la génération de supercontinuum. L'autre aspect attrayant de cette nouvelle génération de fibres optiques, en particulier concernant les HNLF, est leur utilisation dans l'important développement actuel des sources fibrées femtosecondes, proche de la longueur d'onde des télécommunications à 1550 nm. Dans ce cadre, deux systèmes expérimentaux ont été mis en place, permettant respectivement d'obtenir par compression non-linéaire des impulsions sub-30 fs et de générer des impulsions paraboliques de manière passive. Ces dispositifs sont basés sur l'utilisation et la gestion de très courtes longueurs de fibres commerciales de type HNLF, menant alors à des dispositifs ultra-compacts.

Les propriétés microscopiques des plasmas chauds et denses --- plasmas couplés --- constituent un domaine d'étude essentiellement exploré par les théories de physique classique telles que le plasma à une composante, théorie basée sur un certain nombre de paramètres ajustables, en particulier l'ionisation.<br /><br />Nous nous proposons, dans ce travail de thèse, d'aborder cette thématique par une approche sans paramètre basée sur le couplage cohérent de la dynamique moléculaire classique des noyaux et de la théorie de la fonctionnelle de la densité sans orbitale pour les électrons. La composante électronique est ainsi représentée par une énergie libre semi-classique dont la seule variable pertinente est la densité locale.<br /><br />Ce modèle a été validé par comparaison avec une méthode ab initio, la dynamique moléculaire quantique, qui décrit également le fluide électronique par une énergie libre mais exprimée au moyen d'une théorie quantique de particules indépendantes. Suite à cette validation, la dynamique moléculaire sans orbitale a été mise à profit pour évaluer l'équation d'état, à l'équilibre thermodynamique, de plasmas de bore et de fer à très haute température et densité. De plus, des comparaisons avec les modèles classiques ont été entreprises sur les propriétés structurales et dynamiques. Enfin, les lois de mélange d'équations d'état ou de coefficient de transport ont été vérifiées par simulation directe d'un plasma constitué de deutérium et de cuivre.