Les technologies VLSI (" Very large Scale Integration ") font partie de notre quotidien et nos besoins en miniaturisation sont croissants. La densification des transistors occasionne non seulement des difficultés à localiser les défauts dits " hard " apparaissant durant les phases de développement (débug) ou de vieillissement, mais aussi l'apparition de comportements non fonctionnels purs du composant liées à des défauts de conception. Les techniques abordées dans ce document sont destinées à sonder les circuits microélectroniques à l'aide d'un outil appelé émission de lumière dynamique (Time Resolved Imaging - TRI) à la recherche de comportements anormaux au niveau des timings et des patterns en jeu dans les structures. Afin d'aller plus loin, cet instrument permet également la visualisation thermographique en temps résolue de phénomènes thermiques transitoires au sein d'un composant.

Les technologies VLSI (" Very large Scale Integration ") font partie de notre quotidien et nos besoins en miniaturisation sont croissants. La densification des transistors occasionne non seulement des difficultés à localiser les défauts dits " hard " apparaissant durant les phases de développement (debug) ou de vieillissement, mais aussi l'apparition de comportements non fonctionnels purs du composant liés à des défauts de conception. Les techniques abordées dans ce document sont destinées à sonder les circuits microélectroniques à l'aide d'un outil appelé émission de lumière dynamique (Time Resolved Imaging - TRI) à la recherche de comportements anormaux au niveau des timings et des patterns en jeu dans les structures. Afin d'aller plus loin, cet instrument permet également la visualisation thermographique en temps résolu de phénomènes thermiques transitoires au sein d'un composant.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Nous avons étudié les propriétés optiques et le couplage spin-orbite dans différentes structures semi-conductrices de basse dimension. Tout d'abord, la dynamique de spin dans des gaz d'électrons bidimensionnels d'une hétérostructure GaAs/AlGaAs (001) a été étudiée par la technique de rotation Kerr résolue en temps. Les résultats montrent que la durée de vie du spin dans le plan du puits est anisotrope et que la densité des électrons affecte fortement le couplage spin-orbite de type Rashba. Nous avons observé ensuite une grande anisotropie du facteur g de l'électron dans des puits quantiques GaAs/AlGaAs (001) asymétriques, et la dépendance en température de son amplitude a été mesurée. Deuxièmement, nous avons fait l'étude expérimentale du dédoublement du spin électronique dans le plan des puits GaN/AlGaN C(0001) à température ambiante. La mesure du courant de l'effet photo-galvanique circulaire montre clairement un dédoublement isotrope dans le plan du puits. Troisièmement, les premières mesures du facteur g dans des films minces de GaAsN à température ambiante a été faite par la technique de rotation Kerr résolue en temps. Elles montrent que le facteur g peut être modifié drastiquement par l'introduction d'une petite quantité d'azote dans GaAs. Enfin, les caractéristiques optiques de transitions indirectes dans des séries de nano-bâtonnets linéaire CdTe/CdSe/CdTe de taille et de forme variables ont été étudiées par photoluminescence stationnaire et résolue en temps. Nos résultats montrent le transfert progressif d'une transition optique directe (type I) au sein de CdSe vers une transition indirecte (type II) entre CdSe/CdTe à mesure que la longueur des nano-bâtonnets augmente.

Les technologies VLSI (« Very large Scale Integration ») font partie de notre quotidien et nos besoins en miniaturisation sont croissants. La densification des transistors occasionne non seulement des difficultés à localiser les défauts dits « hard » apparaissant durant les phases de développement (débug) ou de vieillissement, mais aussi l’apparition de comportements non fonctionnels purs du composant liées à des défauts de conception. Les techniques abordées dans ce document sont destinées à sonder les circuits microélectroniques à l’aide d’un outil appelé émission de lumière dynamique (Time Resolved Imaging - TRI) à la recherche de comportements anormaux au niveau des timings et des patterns en jeu dans les structures. Afin d’aller plus loin, cet instrument permet également la visualisation thermographique en temps résolue de phénomènes thermiques transitoires au sein d’un composant. / VLSI ("Very Large Scale Integration") technologies are part of our daily lives and our miniaturization needs are increasing. The densification of transistors not only means trouble locating the so-called "hard defects" occurring during the development phases (debug) or aging, but also the appearance of pure non-functional behaviors related to component design flaws. Techniques discussed in this document are intended to probe the microelectronic circuits using a tool called dynamic light emission (Time Resolved Imaging - TRI) in search of abnormal behavior in terms of timings and patterns involved in structures. To go further, this instrument also allows viewing thermographic time resolved thermal transients within a component.

Les isolants de Mott sont un exemple parfait de l’impact des corrélations électroniques locales sur les propriétés macroscopiques des matériaux. En variant légèrement le dopage ou la pression, un métal peut se transformer en un isolant. Ces propriétés peuvent être modifiées de manière très rapide en plaçant ces matériaux loin de l'équilibre. Nous avons étudié un prototype de Mott-Hubbard, V2O3 dopé en Cr, en utilisant l'état de l’art des techniques pompe-sonde, à savoir la photoémission résolue en angle, la réflectivité optique, la spectroscopie THz, et la diffraction des rayons X. La réponse électronique du système, après une excitation laser femtoseconde, qui a été maintenue pour chaque expérience à une longueur d'onde de 800 nm, a pu être déconvoluée de la réponse du réseau. Une étude comparative de ces réponses transitoires démontre un fort couplage électron-phonon dans ce prototype de matériau fortement corrélé. Avant thermalisation, le poids spectral est transféré de la bande de Hubbard inférieure vers le gap de Mott. Sur une échelle de temps plus long un état métastable est stabilisé par un changement structural. Pour mieux comprendre la réponse transitoire des isolants de Mott, nous avons également étudié un autre composé de Mott, BaCo1-xNixS2. Les tendances générales des isolants de Mott après photoexcitation ont été analysées en utilisant un modèle à deux orbitales. Nous interprétons que le remplissage du gap comme un changement spécifique des occupations orbitales. / Mott insulators are a perfect example of how local electronic correlations can change macroscopic properties of materials. Varying slightly the doping or the pressure can transform a metal to an insulator. These properties can be modified extremely rapidly by driving these materials far from equilibrium. We have investigated the model Mott-Hubbard material Cr-doped V2O3 using state of the art pump-probe techniques, namely angle resolved photoelectron spectroscopy, optical reflectivity, THz time-domain spectroscopy, and X-ray diffraction. We were able to unequivocally disentangle the electronic and the lattice response of the system to a femtosecond laser excitation, which was kept in all cases at a wavelength of 800 nm. We present a comparative study of these transient responses, which demonstrates the strong electron-phonon coupling of this strongly correlated model material. We show that before thermalization, spectral weight is transferred from the lower Hubbard band towards the Mott gap. On a longer time scale a metastable state is stabilized by the lattice structure. To further understand the transient response of Mott insulators, we have also studied another Mott compound, BaCo1-xNixS2. The general trends of photoexcitation in Mott insulators are analyzed using a two orbital model. We argue that the filling of the gap can be due to a change of the specific orbital fillings.

La matière dense et tiède (WDM pour Warm Dense Matter) est caractérisée par des températures proches de celle de Fermi et des densités proches du solide. Cette thèse présente des études expérimentales de la WDM éventuellement hors équilibre électron-ion, à l'aide de la spectroscopie d'absorption X près des seuils (XANES) résolue en temps. Nous avons développé un dispositif expérimental de XANES résolu en temps, basé sur un spectromètre à deux cristaux de Bragg, qui permet d'obtenir d'une part le signal émis par la source X utilisée, et d'autre part le signal transmis à travers un échantillon fin d'aluminium. La comparaison de ces deux grandeurs permet de mesurer l'absorption absolue de l'échantillon. L'échantillon est excité par un faisceau laser ultra-bref afin d'atteindre les conditions thermodynamiques attendues.Le dépôt laser étant réalisé sur les électrons de l'échantillon, les ions restent froids pendant l'interaction. L'équilibration thermique qui suit a une durée attendue de l'ordre de quelques picosecondes. Lors d'une première expérience, nous avons étudié la dynamique des transitions de phase subies par une feuille d'aluminium de 100 nm d'épaisseur, chauffée par un laser de 120 fs, avec un flux relativement élevé (6 J/cm²). La transition solide-liquide a lieu sur une échelle de temps plus faible que la résolution (environ 3 ps). La transition liquide-vapeur atomique a lieu après une vingtaine de picosecondes, en accord avec des simulations hydrodynamiques. Afin d'observer plus précisément la transition solide-liquide, nous avons réalisé une seconde expérience avec des flux plus faibles (< 1J/cm²). La feuille d'aluminium reste dans un état localement structuré aux temps longs. L'observation de la diminution progressive des modulations XANES, correspondant à une perte partielle d'ordre local, permet de déterminer la dynamique de l'augmentation de la température ionique. La comparaison des résultats expérimentaux avec des simulations hydrodynamiques, et de dynamique moléculaire quantique, a montré que le XANES est un diagnostic pertinent de la température ionique pendant et au delà de la fusion, permettant de suivre l'équilibration thermique électrons-ions. Nous avons constaté un temps caractéristique de l'équilibration significativement plus long qu'attendu, ce qui questionne la détermination du taux de collisions électrons-ions dans le régime dense et tiède. Ce même diagnostic a été exploité lors de deux expériences où nous avons étudié la silice comprimée par un choc laser jusqu'à des densités atteignant plus de deux fois celle du solide. Nous avons ainsi pu suivre l'évolution des structures électronique et ionique de la silice. Pour obtenir une meilleure résolution temporelle, nous avons réalisé deux autres expériences en utilisant une source X bêtatron et un laser X à électrons libres. La faisabilité d'expériences de XANES avec des résolutions femtosecondes a ainsi été démontrée. / Warm Dense Matter (WDM) is characterized by temperatures near the Fermi one and densities close to the solid. Experimental studies of WDM eventually out of electron-ion equilibrium are presented in this thesis with the help of time-resolved X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy(XANES).We have developed a time-resolved XANES set-up, based on a two-Bragg-crystals spectrometer, allowing to record in one hand the X-ray source emitted signal, and in the other hand the transmitted one through a thin aluminum sample. The absolute absorption of the sample is measured comparing these two signals. The aluminum sample is heated by an ultrafast laser beam in order to reach the required thermodynamical conditions. Note that the energy is deposited on the electrons, whereas the ions keep cold during the interaction. The thermal equilibration follows with an expected picosecond time scale. We performed a first experiment with the aim of studying the phase transitions undergone by a 100 nm depth aluminum foil, heated with a 120fs laser with a high fluence (6 J/cm²). The solid-liquid transition occurs on a time-scale shorter than the experimental resolution (about 3 ps). Le liquid-vapor transition occurs after about 20 ps, consistent with hydrodynamical simulations. In order to study more precisely the solid-liquid transition, we performed a second experiment with the same set-up but lower laser fluences (< 1 J/cm²). The aluminum foil stays in a locally-structured state even after long delays. The dynamics of the ionic temperature increase can be followed watching the progressive lessening of XANES modulations, corresponding to a partial decrease of the local order. Then one can reach the thermal electron-ion equilibration dynamics. The comparison of experimental data with hydrodynamics and quantum molecular dynamics simulations have revealed the relevance of XANES measurements in order to follow the ionic temperature during and above melting. The precision of the measurements allow to notice a significantly longer equilibration time-scale than expected, questioning the electron-ion collision rate determination in the warm dense regime. The same diagnostic has been operated during two experiments in order to study laser-shock compressed silica up to densities doubling the solid one. We have been able to follow the evolution of the electronic and ionic structures of silica. In order to reach a shorter time resolution, we performed experiments with two other X-ray sources : betatron and a X-ray free electron laser. The feasibility of femtosecond time-resolved XANES experiments have been demonstrated.

La matière dense et tiède (WDM pour Warm Dense Matter) est caractérisée par des températures proches de celle de Fermi et des densités proches du solide. Cette thèse présente des études expérimentales de la WDM éventuellement hors équilibre électron-ion, à l'aide de la spectroscopie d'absorption X près des seuils (XANES) résolue en temps. Nous avons développé un dispositif expérimental de XANES résolu en temps, basé sur un spectromètre à deux cristaux de Bragg, qui permet d'obtenir d'une part le signal émis par la source X utilisée, et d'autre part le signal transmis à travers un échantillon fin d'aluminium. La comparaison de ces deux grandeurs permet de mesurer l'absorption absolue de l'échantillon. L'échantillon est excité par un faisceau laser ultra-bref afin d'atteindre les conditions thermodynamiques attendues.Le dépôt laser étant réalisé sur les électrons de l'échantillon, les ions restent froids pendant l'interaction. L'équilibration thermique qui suit a une durée attendue de l'ordre de quelques picosecondes. Lors d'une première expérience, nous avons étudié la dynamique des transitions de phase subies par une feuille d'aluminium de 100 nm d'épaisseur, chauffée par un laser de 120 fs, avec un flux relativement élevé (6 J/cm²). La transition solide-liquide a lieu sur une échelle de temps plus faible que la résolution (environ 3 ps). La transition liquide-vapeur atomique a lieu après une vingtaine de picosecondes, en accord avec des simulations hydrodynamiques. Afin d'observer plus précisément la transition solide-liquide, nous avons réalisé une seconde expérience avec des flux plus faibles (< 1J/cm²). La feuille d'aluminium reste dans un état localement structuré aux temps longs. L'observation de la diminution progressive des modulations XANES, correspondant à une perte partielle d'ordre local, permet de déterminer la dynamique de l'augmentation de la température ionique. La comparaison des résultats expérimentaux avec des simulations hydrodynamiques, et de dynamique moléculaire quantique, a montré que le XANES est un diagnostic pertinent de la température ionique pendant et au delà de la fusion, permettant de suivre l'équilibration thermique électrons-ions. Nous avons constaté un temps caractéristique de l'équilibration significativement plus long qu'attendu, ce qui questionne la détermination du taux de collisions électrons-ions dans le régime dense et tiède. Ce même diagnostic a été exploité lors de deux expériences où nous avons étudié la silice comprimée par un choc laser jusqu'à des densités atteignant plus de deux fois celle du solide. Nous avons ainsi pu suivre l'évolution des structures électronique et ionique de la silice. Pour obtenir une meilleure résolution temporelle, nous avons réalisé deux autres expériences en utilisant une source X bêtatron et un laser X à électrons libres. La faisabilité d'expériences de XANES avec des résolutions femtosecondes a ainsi été démontrée.

Le glutamate est le principal neurotransmetteur excitateur du système nerveux central. Il agit notamment sur huit récepteurs métabotropiques (mGluR) qui sont des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) responsables de la modulation de la transmission synaptique. Les mGluR constituent des cibles de choix pour le traitement de maladies neurologiques, psychiatriques et neurodégénératives comme la schizophrénie, la dépression, ou la maladie de Parkinson. Aucun médicament agissant sur les mGluR n'existe à l'heure actuelle, mais plusieurs molécules sont en phase clinique pour différentes pathologies. L'objectif principal de mon travail de thèse a été d'étudier la dynamique structurale des mGluR, pour lesquels le mécanisme moléculaire d'activation reste mal connu. Ces récepteurs forment des homodimères constitutifs, dont chaque sous-unité possède un grand domaine extracellulaire qui lie le glutamate et un domaine transmembranaire responsable de l'activation des protéines G et où se fixent des modulateurs allostériques synthétiques. Une des étapes clé de l'activation serait la réorientation relative des deux domaines extracellulaires induite par le glutamate au sein du dimère. En développant tout d'abord une stratégie de marquage orthogonale des sous-unités de mGlu par fusion avec des enzymes suicide (SNAP-/CLIP-tag) combinée à une technique de transfert d'énergie par résonance de type Förster en temps résolu (TR-FRET), nous avons montré qu'en système hétérologue, les mGluR peuvent s'associer sous forme d'hétérodimères fonctionnels. De plus, nos expériences ont révélé une spécificité d'association au sein de la famille des mGluR : les sous-unités mGlu du group I, mGlu1 et mGlu5, peuvent former des hétérodimères entre elles, mais pas avec celles du groupe II et III, qui elles peuvent toutes s'associer entre elles. Puis nous avons fait évoluer la technologie précédente pour développer le premier biosenseur conformationnel de l'activation des mGluR. Nous avons ainsi identifié sur cellules vivantes les changements conformationnels nécessaires à l'activation du récepteur, et démontré que la variation de signal de FRET entre les deux sous-unités au sein du dimère correspondant au réarrangement relatif des domaines externes est corrélée avec l'état d'activation du récepteur. Nous avons ainsi confirmé le modèle d'activation des mGluR initialement proposé à partir des premières structures cristallines des domaines extracellulaires isolés. D'autre part, ce senseur permet de discriminer facilement les agonistes partiels des agonistes complets, et permet de mieux comprendre les mécanismes allostériques régulant l'activité au sein des mGluR (notamment le mode d'action des modulateurs allostériques positifs et négatifs qui se lient dans le domaine membranaire). Cette stratégie de senseurs conformationnels a également pu être appliquée à l'étude d'autres récepteurs membranaires (RCPG et récepteurs tyrosines kinases), et au développement de tests de criblage à haut débit. Enfin, nous nous sommes attachés à développer de nouveaux types de molécules ciblant les mGluR, en utilisant des anticorps simple domaine provenant de lamas. Ces ligands qui agissent sur de nouveaux sites d'activation à la surface des mGluR, représentent de nouvelles pistes pour développer de meilleures solutions thérapeutiques. / Glutamate is the main excitatory neurotransmitter in the central nervous system. It notably acts on eight metabotropic glutamate receptors (mGluR), which are G protein coupled receptor responsible for the modulation of synaptic transmission. mGluRs are promising pharmacological targets to treat neurological, psychiatric or neurodegenerative diseases such as depression, schizophrenia or Parkinson's disease. Unfortunately, so far, no drug acting at mGluR is accessible to patients, but several molecules are in clinical trials. The main objective of my thesis has been the study of the structural dynamics of mGluR, for which the molecular mechanism allowing activation are still poorly understood. These receptors are known to form constitutive dimers, with each subunit composed of a large extracellular domain which bind glutamate and a transmembrane domain responsible for G protein activation and where synthetic allosteric modulators bind. A key step in the activation process could be the relative reorientation of the two extracellular domains in the dimer upon glutamate binding. We first developed an orthogonal labeling method of each mGlu subunits by fusion with a suicide enzyme (SNAP-/CLIP-tag) that we combined with time-resolved Förster resonance energy transfer measurements to show that in a heterologous system, mGlu subunits can associate as strict and functional heterodimers. Our experiments also revealed a specific association pattern: mGlu subunits from group I, mGlu1 and mGlu5, can associate with each other, but not with those from group II and III, which can also associate with each other. Then we improved the technology to develop the first conformational sensor to monitor mGluR activation. We were able to monitor in real time in live cells the conformational changes occurring in the mGlu receptor upon activation, and we proved that the variation in FRET signal is correlated with the activation state of the receptor. This allowed us to confirm the activation model proposed based on the crystal structures of the isolated extracellular domains, which consist of a relative movement of the dimer extracellulair domains upon activation. Moreover, this sensor makes it possible to easily discriminate between full and partial agonists, and to better understand the allosteric mechanisms occurring in the mGluR (especially the action mode of positive and negative allosteric modulators binding in the transmembrane domain). This conformational sensor strategy was further applied to study the activation of other receptors (GPCR or tyrosine kinase receptors), and to develop screening assays compatible with high-throughput formats. Finally, we developed innovative ligands acting on mGluRs using single-domain antibodies from llamas. These activating ligands seem to bind to a new site on the surface of the receptor, offering new possibilities to develop better treatment acting at mGluRs.

Ce travail présente l’optimisation d’un système de spectroscopie Raman résolue en temps dédiée aux très hautes températures. Ce dispositif répond au besoin sans cesse croissant d’étudier en temps réels les transformations de phases et des cinétiques de réactions dans des environnements extrêmes. Ce dispositif a été validé dans des conditions d’usages sur des oxydes (Gd₂O3, Y₂O3, ZrO₂ , ZrSiO4 et CeO₂) et des nitrures (h-BN). Le potentiel du système a permis de lever les principaux verrous technologiques et instrumentaux qui limitent l’utilisation de la spectroscopie Raman à haute température. Les trois principaux faits marquants qui illustrent le caractère innovant de ce travail sont les suivants : Le premier correspond au nouveau record mondial d’analyse Raman à haute température à travers l’acquisition du mode E₂g de h-BN jusqu’à 2700°C. La comparaison des performances des deux voies Pockels et ICCD montrent que la voie Pockels est plus performante que l’ICCD, mais plus délicate de mise en oeuvre. Le second fait marquant concerne les autres applications du Raman résolu en temps, comme pour séparer la contribution de la diffusion Raman et de la luminescence. La dernière application quant à elle présente l’étude de la dépendance temporelle comparée des diffusions Raman résonnante et non résonante. Le Raman résonnant se déclenche systématiquement avant le non résonnant. Plus généralement, l’intérêt des méthodes Raman résolues en temps ouvre de nouveaux champs d’application dans la caractérisation de matériaux en condition extrêmes, éventuellement in situ : aéronautique, réfractaire ; sidérurgie, nucléaire, etc… / This work presents the optimization of a time-resolved Raman spectroscopy device dedicated to very high temperatures. This device meets the ever-increasing need to study in real time phase transformations and reaction kinetics in extreme environments. This device has been validated under working conditions on oxides (Gd₂O3, Y₂O3, ZrO₂ , ZrSiO4 et CeO₂) and nitrides (h-BN). The potentialities of the device have enabled the main technological and instrumental locks that limit the use of high temperature Raman spectroscopy to be removed. The three main highlights illustrating the innovative nature of this work are as follows. The first corresponds to the new world record for high temperature Raman analysis through the acquisition of the E₂g mode of h-BN up to 2700°C.A comparison of the performance of the two Pockels and ICCD channels shows that the Pockels channel is more efficient than the ICCD, but more difficult to implement. The second important fact concerns the other applications of time-resolved Raman, as to separate the contribution of Raman scattering and luminescence. The last application presents the study of the comparative time dependence of resonant and non-resonant Raman scattering. The resonant Raman is triggered systematically before the non-resonant. More generally, the interest of time-resolved Raman methods opens new fields of application in the characterization of materials in extreme conditions, possibly in situ: aeronautics, refractories, steel industry, nuclear, etc....