Les hétérostructures hybrides organique-inorganique présentent des propriétés intéressantes, notamment pour des applications dans le domaine de l’électronique et de la spintronique. Notre intérêt s’est porté particulièrement sur la réalisation d’hétérostructures de type Métal/Monocouche organique/Semiconducteur, dont l’étape de reprise de top-contact métallique reste actuellement un verrou majeur à la réalisation de telles jonctions. L’expérience de l’équipe sur des hétérostructures de type MOS (Métal/Oxyde/Semiconducteur), ainsi que les différentes techniques de surface et de transport disponibles au laboratoire, sont appliquées ici à l’étude de ces hétérostructures hybrides. En particulier, la Microscopie à Emission d’Electrons Balistiques (BEEM) permet d’étudier localement les propriétés électroniques des hétérostructures, avec une résolution spatiale nanométrique. A partir du système Au/GaAs(001) bien connu au laboratoire, nous avons intercalé une monocouche d’alcanethiols à l’interface, pour former des hétérostructures de type Au/Alcanethiols/GaAs(001), entièrement préparées sous ultra-vide. Lors du dépôt d’or à température ambiante, les images BEEM ont révélé des interfaces hétérogènes, avec des zones où le peigne moléculaire est court-circuité ou non par le métal. Une analyse quantitative en spectroscopie BEEM des zones non court-circuitées a mis en évidence des signatures particulières, avec une première contribution associée au passage tunnel des électrons à travers le peigne moléculaire, et une seconde contribution, à plus haute énergie, révélant l’existence de nouveaux canaux de conduction associés à l’existence d’états inoccupés dans la monocouche organique. Les effets de l’épaisseur du métal déposé, de la longueur de chaîne des molécules organiques, ainsi que du groupe terminal de la chaîne organique, ont été discutés. Afin d’améliorer le dépôt du contact métallique, un dispositif expérimental original a permis de déposer l’or sur le substrat refroidi, sur lequel une couche tampon de Xénon est condensée (méthode BLAG : Buffer Layer Assisted Growth). L’analyse BEEM de ces hétérostructures a révélé ici des interfaces homogènes, sans pénétration du métal. Des signatures spectroscopiques similaires aux zones non court-circuitées précédentes ont été mises en évidence. Une étude complète de ces hétérostructures préparées par la méthode BLAG a été réalisée via des mesures de transport à l’échelle macroscopique (J(V) et C(V)), ainsi que des mesures de photoémission par rayonnement synchrotron. Ces mesures ont confirmé le caractère reproductible des jonctions formées, avec des hauteurs de barrière en accord avec celles déterminées par BEEM. / In molecular electronics and spintronics, top-contact metal electrode deposition on organic molecular monolayer (OML)/semiconductor hybrid heterostructures is still a critical issue, leading to metal penetration through the molecules and monolayer’s damage. The experimental set-ups available in the lab and the team’s experience in inorganic-inorganic heterostructures are here applied to hybrid organic-inorganic heterostructures. In particular, the Ballistic Electron Emission Microscopy (BEEM), a technique derived from Scanning Tunneling Microscopy (STM), allows to study electronic properties of such heterostructures, at a nanometer scale. Starting from the well-known Au/GaAs(001) Schottky contact, we here intercalate an alkanethiols monolayer, in order to obtain Au/Alkanethiols/GaAs(001) heterostructures, fully grown in ultra-high vacuum environment. In the case of room-temperature metal deposition, BEEM imaging reveals domains which are short-circuited or not by the metal. A quantitative analysis of non-short-circuited interfaces is realized by BEEM in spectroscopy mode. Particular fingerprints are obtained, with a first component related to electron tunnel transport through the monolayer, and a second component, at higher energy, related to first unoccupied states of the molecular layer reachable for electrons. The effects of metal thickness, molecular chain length and terminal group are discussed. In order to minimize the degree of gold penetration, an alternative top-contact deposition method is used, based on buffer-layer assisted growth (BLAG). BEEM studies on these heterostructures reveal homogeneous interfaces without metal penetration, and similar spectroscopic fingerprints. Complementary studies at macroscopic scale (J(V) and C(V) transport measurements and photoemission by synchrotron radiation) confirm the reproducible character of the junctions with barrier height values similar to the ones obtained by BEEM.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de cibles d’irradiation faiblement enrichi en ²³⁵U pour la production du ⁹⁹Mo, radionucléide père du ⁹⁹mTc employé en imagerie médicale. La cible d’irradiation est une plaque fine en aluminium, dont l’âme fissile est constituée d’une dispersion de particules uranifères dans une matrice d’aluminium. Nos travaux plus spécifiquement ont mené à proposer une âme fissile alternative à celle actuellement employée. Pour évaluer les effets de l’affinité chimique, une approche thermodynamique par détermination des relations de phases a été considérée pour cinq systèmes ternaires de références. Les travaux expérimentaux ont conduit à la détermination de sections isothermes pour les systèmes U-Al-X avec X= Ti, Zr, Nb, Ga et Ge, pour deux températures, une basse et une haute températures représentatives des interactions avec l’uranium dans sa forme allotropique orthorhombique (αU) et cubique (gU) respectivement. Les systèmes ternaires U‑Nb-Al et U-Al-Ga, ont fait l’objet d’une optimisation thermodynamique par méthode CALPHAD. Des caractérisations supplémentaires ont été menées sur les phases intermédiaires afin de déterminer leurs propriétés physico-chimiques. Ces examens ont concerné leurs propriétés thermodynamiques (réaction de formation et température et pour certaines enthalpie de formation), structurales et également l’investigation de leurs propriétés électroniques. Cette thèse s’est également intéressée à l’étude des germaniures d’uranium ternaires, U₃TGe₅, en particulier à la recherche de nouvelles phases isotypes et à la caractérisation de leurs propriétés électroniques. Neuf nouveaux composés ont été identifiés pour les métaux T = V, Cr, Zr, Mn, Nb, Mo, Hf, Ta et W avec un arrangement structural similaire à l’antitype Hf₅CuSn₃ et des comportements variés et complexes, tels des fluctuations de spin, de l’ordre antiferromagnétique et ferromagnétique, illustrant le rôle prépondérant du métal de transition dans ces effets électroniques. / This thesis is in the framework of the development of low ²³⁵U enriched irradiation targets for the ⁹⁹Mo production, the mother isotope of ⁹⁹mTc, which is the main radioactive tracers used in nuclear medical imaging. The aim of this work is to identify a new material with a higher uranium density. To fulfil this objective, the determination of the phase relations has been considered for five ternary systems. The experimental work was the determination of the isothermal sections of the U-Al-X with X = Ti, Zr, Nb, Ga and Ge for two temperatures, for representative interactions with U in its orthorhombic form (αU) and cubic form (gU) respectively. The U-Nb-Al and U-Al-Ga ternary system were thermodynamically assessed by CALPHAD assessment. Subsequent characterizations have been carried out on the intermediate phases to determine their physical properties. These studies comprise their thermodynamic features (reaction of formation, including the reaction temperature and for some their enthalpy of formation), structural properties (by means of X-ray and electron diffractions) and their electronic properties, magnetic, and transport (electrical and thermal). This Ph-D thesis was extended to the study of ternary uranium germanides with the general formula U₃TGe₅ by seeking for new isostructural compounds and to investigate their electronic properties. Nine new compounds have been identified with the transition metal, T = V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W with an anti-Hf₅CuSn₃ structural type and various and complex behaviors, such as spin fluctuators, antiferromagnetic and ferromagnetic orders, emphasizing the predominant influence of the transition metal in these electronic phenomena.

La découverte en 2004 par K. Novoselov et al. d'une méthode simple pour transférer une couche d'atome de carbone, appelée graphène, de la face c- du graphite sur un substrat permettant d'effectuer des mesures des propriétés optiques et électroniques a engendré un grand intérêt autour de ce matériau qui était considéré jusqu'alors comme un composé théorique. Très rapidement, les mesures ont mis en évidence des propriétés électroniques, magnétiques, et mécaniques particulières et potentiellement intéressantes en vue d'applications technologiques futures. Les travaux effectués dans cette thèse nous ont permis d'explorer d'une façon originale ces propriétés. En effet, la pression permet de générer des contraintes mécaniques dans le matériau, mais aussi des phénomènes de dopage importants. Nous avons effectué des mesures sur des échantillons comportant de une à trois couches de graphène. Pour suivre l'évolution des propriétés des échantillons sous pression, nous avons effectué des mesures in situ par spectroscopie Raman. Cette thèse a ainsi permis de montrer un comportement mécanique particulier sous pression des échantillons comportant de une à deux couches de graphène, par rapport aux échantillons comportant trois couches et plus, ainsi qu'une dépendance importante de l'évolution des échantillons comportant de une à 2 couches vis-à-vis des conditions d'hydrostaticité ainsi que du dopage chimique / The discovery in 2004 by K. Novoselov et al. of a simple method for the transferred of an atomic carbon layer, called graphene, from the c- face of graphite to a wafer generate a lot of interest in the scientific community, as until this date the graphene was considered as a theoretical compound. Quickly the first experiment on this material highlights interesting electronic, magnetic, and mechanical properties for potential application in the future. This thesis proposes a new way in order to explore these properties, as the pressure was used in order to generate mechanical deformation in the graphene layers, and in order to modify the doping level. Using high pressure experiment coupled with Raman spectroscopy, we show that the mechanical properties of the graphene sample depend on the number of layers, on the condition of compression and on the doping phenomena

Les couches organiques greffées de façon covalente sur le silicium apparaissent comme des systèmes prometteurs tant sur le plan fondamental qu'en raison des nombreuses applications envisageables : couches minces diélectriques, capteurs chimiques ou biochimiques. Ce travail de thèse est consacré à l'étude de ces systèmes par diverses techniques. La stabilité chimique et électrique de l'interface au cours du temps et au sein d'un électrolyte de pH variable sont décrites. La morphologie de la surface est contrôlée par microscopie AFM. La nature chimique du système est déterminée par spectroscopie infrarouge en mode ATR et par spectroscopie de photoélectrons X. La qualité électrique de l'interface est étudiée par des mesures de photoluminescence, photopotentiel et Mott-Schottky. L'influence de la préparation sur les diverses caractéristiques du système est examinée. L'effet de charges adsorbées en surface a également été exploré par une titration quantitative de l'ionisation de groupements carboxyles greffés en surface. Enfin, une méthode originale de fonctionnalisation de couches alkyles greffées de compacité maximum par traitement dans un plasma doux oxydant est présentée. Le suivi du système, in situ par spectroscopie IR et ex situ par XPS, ainsi que la connaissance de la nature du plasma d'oxygène ont permis de mettre en évidence une destruction de la couche aux plus fortes puissances et une intégrité de celle-ci aux plus faibles puissances : un mécanisme de fonctionnalisation des chaînes dans ce régime est proposé.

La réponse optique des petites particules de métaux nobles (Au, Ag, Cu) se manifeste essentiellement par une bande de résonance plasmon de surface dont la position et la largeur dépendent notamment de la taille des agrégats et du milieu environnant. Ce travail présente l'étude des propriétés optiques d'agrégats mixtes AuM (M=Ag, Ni, Co et Pt) de 1,5 à 6 nm de diamètre, en matrice d'alumine. La technique de préparation des films minces de nanoparticules en matrice d'alumine ainsi que les différentes techniques de caractérisation et d'étude de leurs propriétés optiques sont présentées d'abord. Puis les modèles théoriques qui permettent d'interpréter ces propriétés sont introduits : un modèle semi-quantique, mettant en évidence l'influence des électrons de cœur, de la matrice et de sa porosité, mais qui n'est pas adapté à tous les systèmes; un modèle classique dans les autres cas. L'influence de la taille et de la composition des agrégats mixtes or-argent est étudiée ensuite. Les spectres d'absorption montrent une résonance plasmon de surface intermédiaire par rapport à l'argent et l'or purs, et le blue-shift observé quand la taille diminue est d'autant plus important que la proportion d'or est grande. Ces résultats expérimentaux sont comparés avec ceux d'un calcul semi-quantique, en utilisant deux modèles pour la fonction diélectrique du mélange AuAg. Il semble que ces agrégats forment plutôt des alliages. Enfin, les systèmes NiAg et CoAg forment des " core-shell " : un cœur de nickel ou de cobalt, entouré d'argent et leurs spectres d'absorption présentent une bande plasmon de surface conformément aux prévisions théoriques classiques. A l'inverse, les agrégats (PtxAg1-x)n présentent expérimentalement une résonance plasmon de surface très fortement atténuée, contrairement aux prévisions classiques si l'agrégat est sous forme " core-shell " ou a une structure pour laquelle la fonction diélectrique dépend simplement de celles de ses constituants.

Cette thèse concerne l'étude du rôle des électrons, des phonons et de leur dynamique dans les transitions de phase de deux systèmes fortement corrélés, le composé prototype de Mott (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 et le pnicture de fer supraconducteur Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2. Ces systèmes ont été étudiés grâce à deux techniques complémentaires, la spectroscopie de photoélectrons et la réflectivité pompe-sonde. Les mesures de réflectivité transitoire dans (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 ont permis de mettre en évidence un durcissement photo-induit du réseau cristallin, dû à la modification ultra-rapide (à l'échelle femtoseconde) de la structure électronique du matériau. La mesure de phonons optiques et acoustiques cohérents a permis de montrer le lien entre excitation électronique, propriétés réticulaires et corrélations électroniques. Des mesures de photoémission résolue spatialement à l'échelle microscopique ont également permis, dans certaines parties du diagramme de phases, la visualisation de domaines isolants de Mott et métalliques. Concernant Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2, la première mesure d'un phonon optique cohérent dans un pnicture de fer a permis d'interpréter la relaxation électronique transitoire de ce système comme gouvernée par un couplage électrons-phonons sélectif. La valeur du couplage électrons-phonons déterminée par cette méthode, lambda=0.12, est trop faible pour que la supraconductivité de ce système soit médiée par les phonons. La structure électronique de Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2 a été mesurée par photoémission résolue en angle à basse énergie de photon, permettant une résolution en énergie et en vecteur d'onde optimales. La dispersion des bandes autour du centre de la zone de Brillouin ainsi que leur symétrie ont ainsi été déterminées, et la modification de structure électronique induite par la transition supraconductrice a été mesurée. Cette dernière consiste en un transfert de poids spectral inter-bandes et l'ouverture de gaps sélectifs, reflétant le caractère complexe de la structure électronique des supraconducteurs multi-bandes.

Cette thèse présente des applications d'un modèle théorique basé sur la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps, permettant de décrire la dynamique non-linéaire d'agrégats métalliques et de petites molécules organiques soumis à une excitation intense (irradiation par un laser femtoseconde, collision avec un ion multichargé). Nous avons choisi d'étudier, en particulier, le mécanisme dynamique de déplétion des niveaux électroniques d'agrégats de sodium, de la pyridine et de l'uracile. Nous avons observé que la distribution des électrons émis dépend sensiblement de la fréquence des photons. Les fréquences proches de la lumière visible excitent exclusivement les électrons à la surface de Fermi; alors que la lumière dans les hautes fréquences ultraviolettes, comme celles délivrées par les lasers à électrons libres, tend à extraire les électrons de tous les niveaux électroniques, avec une préférence pour les états de valence les plus liés. Nous avons aussi étudié le spectre de photoélectrons de petits agrégats de sodium et mis en évidence une corrélation avec la déplétion électronique en fonction de la fréquence du laser.

Cette thèse présente une étude des propriétés électroniques de systèmes de basse dimension à base de métaux et de semiconducteurs. La première partie de l'étude traite le confinement de l'état de Shockley dans des nanostructures tridimensionnelles d'Ag(111), par des mesures STM/STS à très basse température (5 K). Nous avons d'abord analysé en détail la structure en énergie et la distribution spatiale des modes confinés. Nous avons ensuite mis à profit la nature discrète du spectre en énergie pour étudier le temps de vie des quasiparticules. Un comportement typique de liquide de Fermi est mis en évidence, et nous montrons que le mécanisme de diffusion dominant est associé au couplage électron-phonon. La contribution extrinsèque provenant du confinement partiel de l'onde électronique a également été obtenue. Une loi d'échelle est observée avec la taille des nanostructures, ce qui permet d'extraire un coefficient de réflexion plus important que dans de simples ilôts monoatomiques. La seconde partie de l'étude est consacrée aux couches ultra-minces semiconductrices obtenues par dépôts d'alcalins (K, Rb, Cs) sur la surface Si(111):B-[racine]3. Ce travail résout la controverse concernant la nature de l'état fondamental de ce système, et notamment l'origine de la reconstruction 2[racine]3 obtenue à la saturation du taux de couverture. La compréhension en amont de la structure cristallographique permet d'élucider les propriétés électroniques. Nous montrons qu'une approche à un électron, conduisant à un isolant de bandes, décrit le système de manière convaincante, malgré l'indication de forts effets polaroniques. Ce résultat est le fruit d'une étude approfondie combinant des techniques diverses et complémentaires (LEED, ARPES, XPS, STM/STS et calcul DFT) / This thesis is devoted to the electronic properties of low-dimensional systems based on metal and semiconducting materials. The first part deals with the Shockley state confinement in Ag(111) nanostructures, by means of very-low temperature (5 K) STM/STS measurements. We study the electronic structure and spatial distribution of the confined modes. Then the discrete nature of the electronic spectrum allows one to yield the quasiparticule lifetime. A Fermi-liquid behaviour is evidenced and we show that the dominant decay mechanism is attributed to the electron-phonon coupling. The extrinsic contribution arising from the partial confinement of the electronic wave is obtained as well. A scaling law with the nanostructure width is demonstrated, from which we deduce a higher reflection amplitude than in monoatomic islands. In the second part of the thesis, we study semiconducting ultra-thin films produced by alkali (K, Rb, Cs) deposition on the Si(111):B-[root of]3 surface. This work solves the controversy concerning the ground state of this system, and especially the nature of the 2[root of]3 surface recontruction obtained at saturation coverage. Prior understanding of the crystallographic structure allows to elucidate the electronic properties. We show that a one-electron picture, leading to a band insulator scenario, gives a good description of the system, in spite of strong polaronic effects. This conclusion results from an in-depth, combined study of complementary techniques (LEED, ARPES, XPS, STM/STS and DFT calculations).

La plupart des composés organiques ont un atome de carbone tétravalent, où tous les électrons de valence sont utilisés pour former des liaisons covalentes. En parallèle, la chimie des composés divalents ayant un carbone(II) s’est développée après l’isolement de carbènes stables par Bertrand en 1985. Auparavant, en 1961, Ramirez a rapporté l’isolement de l’hexaphénylcarbodiphosphorane, que l’on peut considérer comme un composé présentant un carbone(0) avec ses deux doublets libres, lui permettant de coordiner jusqu’à deux acides de Lewis. A partir de 2006, les propriétés électroniques de ces ligands ont été étudiées au travers d’études théoriques par Frenking ; ce qui a permis à Bertrand et Fürstner d’isoler et d’ajouter des nouveaux membres à cette famille. Cette classe de ligand est aujourd’hui connue sous le nom de “carbônes”, avec comme formule générale CL2 (L = PR3 ou carbène).Cette famille n’a jamais été utilisée dans le domaine de la catalyse. C’est pourquoi nous avons, décidé d’etudier les propriétés électroniques de ce ces composés au travers de la catalyse à l’or, afin de les comparer aux NHC, phosphines, et phosphites. Récemment, nous avons utilisé ces composés pour générer des complexes donneur accepteur avec du GaCl3, et de corréler leurs différentes caractéristiques géometriques à leurs propriétés électroniques en utilisant les règles de Gutmann sur des adduits acide/base de Lewis. De plus, nous avons isolé des “dimères” ioniques dont la formation peut être expliquée par les propriétés intrinsèques des ligands. Nous avons ainsi démontré par ces deux approches que les “carbônes” sont de meilleurs donneurs que les NHC. / Most organic compounds which are stable in the condensed phase contain tetravalent carbon atoms, where all four valence electrons are being engaged in chemical bonds. On the other hand, the chemistry of divalent carbon(II) was only recognized after the isolation of a stable persistent carbene by Bertrand and co-workers in 1985. Such products display one s-type lone pair orbital and are thus good ligands. Earlier on, concern was also paid to a new family of compounds, first reported in 1961 by Ramirez and co-workers. They can be considered as divalent carbon(0) derivatives with two lone pairs at the central carbon, with a possibility of double coordination of two Lewis acids to this carbon. This feature was proposed by Kaska in 1973, and verified later by the isolation of di-metalated adducts. From 2006, these compounds were the centre of extensive theoretical investigations by Frenking, which led to the isolation of new members of this family by Fürstner and Bertrand. This family is now referred to as “carbones”, of general formula CL2 (L =PR3 or carbene).“Carbones” are still virtually unused in catalysis. Thus, we have decided to study these derivatives, especially in the field of gold catalysis, and to compare them with well-known ligands such as NHCs, phosphines and phosphites. Recently, we were able to synthesize their corresponding GaCl3 complexes and to rationalize their electronic properties through Gutmann’s rules for Lewis acid/Lewis base adducts. In addition, we obtained some ionic “dimers” and we explained their formation on the basis of ligand’s electronic properties. We have shown through these two approaches that carbones are far better donors than NHCs.