L'objectif de ce travail était double : le développement d'un réacteur d'implantation par immersion plasma et l'analyse des mécanismes de nitruration. En ce qui concerne la nitruration des aciers, nous avons montré que des traitements de nitruration au potentiel flottant à des températures aussi basses que 300 °C étaient réalisables dans le réacteur URANOS avec des longueurs de diffusion de plusieurs centaines de microns. Pour les aciers faiblement alliés, les diffusions réalisées à 380 °C, conduisent à une amélioration notable des propriétés mécaniques de surface. Ainsi la dureté de surface est triplé et la limite d'endurance en fatigue augmente de 30 %, pour un traitement de 4 heures. Dans le cas des aciers inoxydables, des couches très dures (5 fois la dureté du substrat) d'austénite dilatée sont formées en surface. Le rôle de l'hydrogène dans le plasma, consiste non seulement à réduire la couche d'oxyde présente en surface du matériau, mais surtout à accélérer la cinétique d'enrichissement d'azote en profondeur, cela quelque soit le type d'acier. Le second objectif de cette thèse était le développement d'un nouveau réacteur d'implantation par immersion plasma. A basse température l'implantation d'azote sur des aciers entraîne la formation d'une couche dure de surface. L'implantation d'azote sur des alliages base aluminium révèle, toujours à basse température, la formation d'un film de nitrure d'aluminium (AlN). La grande originalité du réacteur que nous avons développé est de pouvoir réaliser des implantations à température élevée (300-1000 °C). Nous avons ainsi pu montrer qu'à 900 °C, sur des alliages base titane, on peut réaliser la croissance de films épais de TiN et Ti2N et au-delà induire la formation d'une couche de diffusion sur plus de 60 µm. L'implantation de silicium à température contrôlée a permis de montrer qu'un film transparent, de nitrure de silicium, pouvait croître grâce à un transport combinant l'action thermique et l'implantation ionique. Dans ce cas et pour des doses suffisamment élevées, la couche atteint 40 nanomètres et présente la stœchiométrie du nitrure Si3N4. Ce résultat est parfaitement inaccessible aux autres techniques de nitruration puisque, la croissance de nitrure est auto-limitée à des épaisseurs inférieurs à 5 nm.

Des matériaux d'électrode positive pour batteries Li-ion de formule Lix0(Co,M)O2 (M = Ni, Mg ; x0 ≥ 1.0) ont été préparés à haute température (900° C) et caractérisés par diffraction des rayons X, tests galvanostatiques, spectroscopie de RMN MAS du 7Li et mesures électriques. Alors que les propriétés de la phase LiCoO2 sont en accord avec la littérature, dans tous les cas, l'ajout d'un excès de lithium lors de la synthèse conduit dans le matériau final à la présence d'un défaut structural constitué de lacunes d'oxygène et d'ions Co3+ spin intermédiaire (Co3+(IS)) en site pyramidal à base carrée. Ce défaut influe considérablement sur les propriétés des phases désintercalées puisqu'il supprime toutes les transitions de phase habituellement observées lors du cyclage galvanostatique de la phase LiCoO2. La substitution du nickel au cobalt permet de séparer la contribution des ions NiIII et Co3+(IS) quant à la disparition des transitions de phase lors de la désintercalation du lithium. La substitution du magnésium au cobalt, même sans excès de lithium, induit systématiquement la présence de ce type de défaut (Co3+(IS)). Cette particularité a été corrélée au comportement électrochimique de ces matériaux Lix(Co,Mg)O2 en cyclage.

Dans une première partie, nous avons élaboré des couches épitaxiées de cobalt d'épaisseur variant de 10 à 500 nm et étudié leurs propriétés structurales et magnétiques. Nous avons optimisé leur croissance pour obtenir du cobalt dans sa phase cristalline hexagonale (0001) car elle présente la plus forte anisotropie magnétocristalline perpendiculaire. Puis, nous avons montré que l'aimantation de ces couches passe d'une configuration en domaines d'aimantation planaire à perpendiculaire lorsque l'épaisseur varie entre 10 et 50 nm. Pour des épaisseurs supérieures à 50 nm, la structure en domaines est alors composée de bulles, de bandes ou d'un labyrinthe selon l'histoire magnétique. La topologie des domaines est indépendante de leur épaisseur tandis que leur largeur varie entre 50 et 200 nm comme la racine carrée de l'épaisseur. Puis, nous avons montré que ces couches de cobalt étaient de très bons candidats pour l'étude de la magnétorésistance et résonance de paroi. Dans une seconde partie, nous avons élaboré des réseaux de 5x5 mm2 de plots de 0.5 µm de côté à partir de ces couches et étudié leurs propriétés structurales et magnétiques. Nous avons montré que la réorientation de l'aimantation en fonction de l'épaisseur est conservée pour les mêmes épaisseurs et que la nanostructuration avait un effet sur la structure en domaines. Pour les plus fortes épaisseurs, la taille des domaines est de l'ordre de grandeur de celle des plots entraînant la contrainte de la composante perpendiculaire d'aimantation. Pour les plots de 25 nm d'épaisseur, la contrainte géométrique de la composante planaire d'aimantation permet de stabiliser une structure vortex en anneaux concentriques. La courbe d'aimantation mesurée sur cet échantillon présente un saut d'aimantation attribué à la disparition de domaines de la structure vortex. Nous avons pu mettre en évidence la réorientation de l'aimantation dans chaque domaine en fonction de la température transformant le vortex en domaines à aimantation perpendiculaire.

Ce mémoire d'habilitation traite de méthodes de diffraction des rayons X appliquées à l'étude des instabilités structurales, les ordres locaux et les transitions de phases structurales dans des matériaux de basse dimensionalité et les composés moléculaires.

Notre travail a porté sur différents cristaux liquides minéraux, et principalement sur les suspensions aqueuses de goethite. Après les avoir caractérisées, nous avons démontré qu'elles forment une phase nématique, et décrit la transition isotrope-nématique grâce aux modèles de la littérature. La phase isotrope présente trois propriétés originales sous champ magnétique : un ordre paranématique très élevé, une composante dipolaire de l'ordre orientationnel non nulle et le changement d'orientation de la phase suivant la valeur du champ (parallèle à un champ statique faible, mais perpendiculaire à un champ fort). Nous avons déterminé le paramètre d'ordre nématique par des mesures de biréfringence ainsi que par diffusion des rayons X aux petits angles, et le paramètre d'ordre dipolaire par des mesures d'aimantation. Nous avons interprété et modélisé le changement d'orientation comme la compétition entre un moment magnétique longitudinal indépendant du champ (probablement dû à des spins non compensés en surface), et le moment magnétique induit par le champ (anisotropie magnétique négative). Le premier domine à champ faible, le second à champ fort. Sous ces hypothèses, l'orientation est toujours perpendiculaire sous un champ de fréquence élevée, ce que nous avons observé. Le modèle donne des résultats en accord avec les mesures. Puis nous avons étudié les propriétés de la phase nématique sous champ magnétique. Le seuil de Frederiks est très bas, et l'ordre nématique extrêmement élevé. Les particules basculent perpendiculairement au champ magnétique lorsqu'il croît, par une seconde transition de Frederiks, formant un domaine nématique biaxe. A champ encore plus élevé se forme un cristal colloïdal bidimensionnel de groupe d'espace c2mm. On observe la même phase en champ nul à forte concentration. Enfin, nous incluons nos publications, sur les suspensions de goethite, de plans covalents rigides de H3Sb3P2O14, de polymères flexibles de NaNb2PS10 et de plaquettes de laponite.

Le procédé de fabrication de la silice précipitée, destinée au renforcement d'élastomères inclut une étape de filtration qui permet de récupérer dans la dispersion issue de la synthèse, des agglomérats, puis d'éliminer les sels et les impuretés par une procédure de lavage avant un séchage et une mise en forme. Cette étude a pour but de corréler l'organisation multi-échelle des agglomérats de silices précipitées avec les propriétés mécaniques et hydrodynamiques des dépôts formés en filtration avec ou sans élimination des sels ou impuretés. Des silices issues de différentes synthèses industrielles sont étudiées par des techniques de diffusion de rayons X aux petits angle (SAXS). Ces investigations nous permettent de quantifier plusieurs échelles d'organisation dans les agglomérats : celle des particules primaires et celle d'agrégats composés de particules primaires consolidées. Deux modélisations de l'organisation multi- échelle sont discutées : l'une de type poupées gigogne, l'autre de type collier de perles. Les propriétés structurelles, mécaniques et hydrodynamiques des dépôts de filtration obtenus pour différentes pressions à partir de ces silices font l'objet d'investigations menées par des expériences de diffusion aux petits angles, de compression osmotique, de filtration et de lavage. De ces travaux, il ressort que pour chaque système, deux grandeurs : le diamètre maximum des agrégats et le seuil de percolation correspondant à la formation d'un réseau mécaniquement résistant se corrèlent parfaitement avec la perméabilité hydraulique des dépôts obtenus par filtration. Nous montrons par ailleurs que l'on parvient à un niveau correct de prédiction de la vitesse de filtration par un modèle de Brinkman. Enfin, il apparait que l'élimination des sels ou impuretés réalisée lors de la procédure de lavage des dépôts ne modifie ni l'organisation locale dans les dépôts, ni la perméabilité hydraulique.

Dans ce travail de thèse, nous présentons quatre expériences, portant soit sur l'étude d'ions lourds hydrogenoïdes ou héliumoïdes, soit sur celle d'atomes exotiques, et qui se sont déroulées au Gesellschaft für Scherionenforchung (GSI) et à l'Institut Paul Scherrer (PSI).<br /><br />Dans la première partie de ce manuscrit, nous décrivons, tout d'abord, un spectromètre à cristal courbe et en transmission, couplé à un détecteur germanium sensible en position. Cet ensemble, dédié à la mesure de l'énergie de photons X entre 50 et 100 keV et qui est destiné à être monté sur l'accélérateur du GSI, nous permettra, dans les années avenirs, de gagner un ordre de grandeur sur la précision de la mesure du déplacement de Lamb du niveau fondamental de l'uranium hydrogénoïde, afin de tester la QED en champ coulombien fort. Ensuite, nous détaillons une expérience qui nous permettra de donner bientôt une nouvelle valeur de la masse du pion chargé avec une incertitude relative de 1 ppm. Elle est basée sur une spectroscopie X de l'azote pionique, effectuée au PSI. Pour celle-ci nous utilisons un montage composé d'une trappe anticyclotronique, d'un spectromètre de Bragg en réflexion, possédant un cristal sphérique et d'un détecteur CCD refroidit. Ce dispositif permet également de tester la QCD et la théorie des perturbations chirales, par une mesure des transitions radiatives de l'hydrogène pionique.<br /><br />La seconde partie est consacrée à une description d'une mesure la durée de vie d'un niveau métastable de l'or héliumoïde, grâce à une expérience de temps de vol, qui se déroule au GSI. Nous donnons, pour la toute première fois pour un Z si élevé, une valeur précise de cette durée de vie, qui constitue un test important de la théorie relativiste à n-corps.

La cuve des réacteurs à eau sous pression forme la seconde barrière de confinement de l'assemblage combustible nucléaire. Dans les centrales françaises, elle est constituée d'acier 16MND5 faiblement allié (équivalent de la nuance ASTM A508 Cl.3). Diverses techniques expérimentales (microscopie électronique, diffraction des rayons X etc.) sont mises en oeuvre lors d'essais de tractions in-situ afin de mettre en évidence les hétérogénéités mécaniques apparaissant au sein du matériau. Ces mesures se font en cours de sollicitation pour diverses basses températures [-150°C;-60°C]. Les hétérogénéités mécaniques sont principalement dues aux deux aspects "polycristallins" et "composite"(effet des amas de cémentite) de la microstructure. Des écarts de contraintes résiduelles interphases (jusqu''a 150 MPa en moyenne entre bainite et ferrite), et intraphases (jusqu''a 100 MPa en moyenne par orientation pour la ferrite) sont mis en évidence. Une modélisation complexe est mise en oeuvre afin de représenter le comportement. Elle inclut une loi micromécanique, un modèle de transition d'échelle, et une représentation par éléments finis d'agrégats 3D, le tout associé dans une démarche multi-échelles. L'identification se fait sur le comportement à différentes températures, et permet de reproduire les hétérogénéités de contraintes mises en évidence expérimentalement. Cette modélisation sert de base à l'application déterministe d'un critère local de rupture fragile micromécanique et cristallographique. L'utilisation de divers tirages de répartitions de carbures réalistes permet d'obtenir une probabilité de rupture du volume élémentaire en accord avec les hypothèses formulées par l'approche locale de la rupture. A ceci près que contrairement aux approches habituelles, on ne suppose pas de dépendance de cette probabilité par rapport au chargement ou à la microstructure, celle-ci est naturellement introduite.

L'objectif de cette thèse est de progresser dans la compréhension de l'influence de la microstructure sur l'anisotropie plastique et la ténacité de deux nuances d'alliage Al-Cu-Li 2198 sous forme de tôle. L'épaisseur de tôles est 2 mm et 6 mm. Deux traitements thermiques (T351 et T851) ont été étudiés pour chaque nuance. Différentes techniques de caractérisation multi-échelles telles que la microscopie optique, la microscopie électronique en transmission ou encore la tomographie à rayons X ont été utilisées pour identifier les microstructures des matériaux et les micro-mécanismes d'endommagement. L'anisotropie plastique et l'effet d'épaisseur sur la plasticité ont été étudiés via des essais de traction sur les éprouvettes lisses et entaillées selon différentes directions. Les résultats montrent que le comportement plastique est anisotrope dans le plan de tôle. Le comportement en déchirure ductile a été examiné en utilisant des éprouvettes de petite taille de type Kahn ainsi que des plaques larges de type M(T). L'anisotropie de ténacité a été étudiée sur les éprouvettes chargées selon différentes configurations. La fractographie par microscope électronique à balayage (MEB) et la tomographie synchrotron aux rayons X ont clarifié le rôle des structures granulaires et des traitements thermiques sur les mécanismes de la rupture inter-granulaire et trans-granulaire. La croissance de cavités reste limitée dans la zone de propagation de fissure. En fin, la simulation de la déchirure ductile par élément finis est basée sur l'approche locale de la rupture en utilisant un modèle de zone cohésive (CZM). Les paramètres cohésifs ont été ajustés sur les éprouvettes Kahn. Les paramètres identifiés ont été employés pour prédire la déchirure ductile des essais M(T). Les résultats montrent que la simulation des essais M(T) est plus sensible aux valeurs des paramètres ajustés que la simulation des essais Kahn. L'effet d'épaisseur a été évalué à l'aide de la technique de relâchement des nœuds en analysant la variation de la contrainte et de la déformation dans la direction de l'épaisseur.

Les mécanismes de formation de phases dans des films minces du système ternaire Al-Cu-Fe et des systèmes binaires Al-Cu, Al-Fe et Cu-Fe ont été étudiés. Dans chacun des systèmes, plusieurs échantillons avec des compositions distinctes ont été préparés par pulvérisation cathodique. Des couches d'aluminium, de cuivre et de fer ont été déposées séquentiellement sur des substrats de silicium oxydé et ont été traités thermiquement par différentes méthodes puis caractérisés. Des mesures de diffraction de rayons X et de résistivité in-situ ont été effectuées pour suivre la formation des phases. Des recuits thermiques suivis de trempe ont été réalisés et les échantillons ont été caractérisés par diffraction des rayons X. L'analyse enthalpique différentielle a également été utilisée ainsi que des mesures simultanées in-situ de résistivité et de diffraction des rayons X. L'ensemble des résultats obtenus nous a permis de proposer des mécanismes de formation de phases pour chacun des échantillons étudiés et en utilisant des modèles théoriques de croissance de phases nous avons pu déterminer des données cinétiques sur la formation de phases dans ces films.