La silice vitreuse est le plus abondant, le plus utilisé, et donc le plus important des matériaux vitreux. Néanmoins, ses propriétés à haute pression et haute température ne sont pas faciles à étudier de façon expérimentale en raison des valeurs élevées de la température de transition vitreuse et de la température de fusion. Le chlorure de zinc vitreux est connu pour avoir une structure analogue et possède un point de fusion relativement bas. Pour ces raisons, ce composé s'avère être un modèle utile à la compréhension des propriétés de la silice vitreuse ou d'autres composés analogues, dans des conditions extrêmes de température et de pression. Le travail présenté dans cette thèse est à caractère expérimental. Il concerne, d'une part, l'étude de l'évolution structurale et vibrationnelle des phases vitreuse, cristalline et liquide du chlorure de zinc, en fonction de la pression et de la température. Pour cela, des expériences d'absorption et de diffraction de rayons X (en cellule à enclumes de diamant et en presse Paris-Edimbourg), ainsi que des expériences de spectroscopie Raman (en CED) ont été menées à bien. D'autre part, la combinaison de ces trois techniques complémentaires absorption et diffraction de rayons X, spectroscopie Raman), nous a permis de déterminer les domaines de stabilité des différentes phases et d'obtenir les lignes de transitions de phase. Le diagramme de phase (P, T) du chlorure de zinc a ainsi pu être déterminé pour des pressions allant jusqu'à 10 GPa et dans le domaine de températures compris entre 22 et 800 °C.

Dans cette thèse nous explorons le diagramme de phase des fullerènes intercalées avec des métaux alcalins lourds, Rb6C60 et Cs6C60, à très haute pression (<50 GPa) et à très haute température (de l'ambiante à 1500 K).<br /><br />Ce travail inclue des expériences d'absorption de rayons X, de diffraction de rayons X, de spectroscopie Raman, ainsi que des calculs DFT ab initio à haute pression.<br /><br />Le couplage entre expériences et calculs permet d'observer que la présence de la forte interaction ionique entre chaque molécule et les ions alcalins, empêche la polymérisation des fullerènes sous pression. Dans le cas de Cs6C60, ceci a permis d'étendre le domaine de stabilité en pression des molécules de C60 d'au moins un facteur deux par rapport aux cristaux de C60 non-intercalés. Dans le cas de Rb6C60 une transition réversible est observée à 35 GPa.<br /><br />Nous avons mis en évidence la déformation progressive de la molécule de fullerène sous pression dans les systèmes étudiés. La compressibilité des deux cristaux a été mesurée et calculée.

Les méthodes classiques dans l'étude de la dynamique de réseau, comme la diffusion inélastique des neutrons et des rayons X, sont et vont rester limitées en flux. En conséquence les mesures sont coûteuse en temps. Pour optimiser le rendement de ces techniques, la stratégie de mesure doit être préparée avant l'expérience. Cette stratégie peut être élaborée et optimisé par des calculs de la dynamique de réseau et de la diffusion diffuse. La mesure de la diffusion diffuse thermique est une expérience simple où les régions étendues dans l'espace réciproque peuvent être explorées rapidement et en détails, ce qui permet d'identifier les caractéristiques dans la dynamique de réseau. Une méthode spectroscopique peut être appliquée ensuite sur les régions d'intérêt donnant accès à l'énergie et à l'intensité des vibrations individuelles. Dans certains cas, la diffusion diffuse thermique devient tellement contraignante pour les calculs de la dynamique de réseau (quasi)harmonique, que l'expérience de diffusion inélastique n'est plus un ingrédient nécessaire dans la reconstruction d'une image cohérente de la dynamique. Dans le cadre de ce travail la combinaison des techniques utilisant la diffusion thermique, la diffusion inélastique des rayons X et les calculs réalisés à partir des premiers principes ab initio est proposée pour l'étude de la dynamique de réseau de monocristaux. Les intensités de diffusion diffuse ainsi que les spectres inélastiques observés sont comparés à ceux calculés ab initio. Ces techniques combinées donnent accès à la description complète de la dynamique de réseau en approximation harmonique, et fournissent des informations supplémentaires précieuses. Le lecteur sera initié au formalisme de la dynamique de réseau et à celui de la diffusion inélastique et thermique. Les méthodes de calculs des propriétés vibrationnelles issues des calculs ab initio vont être introduites suivant un ensemble d'étapes menant à la convergence et donc à la validation de l'ensemble des calculs. Les techniques expérimentales utilisées tout au long de cette étude ainsi que les nouvelles possibilités s'ouvrant désormais grâce aux études combinées, serons présentées. La méthodologie sera illustrée par plusieurs systèmes de référence. Dans le cadre des systèmes à liaisons covalentes, deux polymorphes de silice - coésite et cristobalite - sont à l'étude. Les calculs expérimentaux validés sont utilisés pour l'étude des vecteurs propres, des valeurs propres et de leur contributions a la densité d'états vibrationnels (partiel et total). La comparaison avec le polymorphe de silice le plus abondant - alpha-quartz - et l'oxide de germanium en structure de alpha-quartz - révèle des ressemblances et des différences distinctes dans les propriétés vibrationnelles à basse énergie. Les polymorphes d'étain ont été choisis pour étudier l'impact du sous-système électronique sur les interactions inter-ioniques et la dynamique de réseau de monocristaux. L'étain manifeste des propriétés structurelles intéressantes, et une surface de Fermi relativement complexe. On observe une asymétrie inhabituelle au niveau de la diffusion diffuse, propriété qui peut s'expliquer dans le cadre d'une approximation harmonique de la dynamique de réseau. Enfin, la méthode élaborée est appliquée à de la glace, ce qui démontre non seulement une diffusion thermique caractéristique mais également des contributions statiques provenant du désordre de l'hydrogène. La méthodologie proposée fournit un outil puissant pour l'étude de la dynamique de réseau et sera applicable à une large variété de systèmes. Les études peuvent être étendues à des conditions extrêmes impliquant de très hautes pressions et une large gamme de températures. Cette méthodologie peut également être utilisée pour étudier les propriétés localisées de vibrations atomiques dans les systèmes avec des symétries brisées, par exemple des systèmes avec du désordre ou des effets topologiques.

Les principaux objectifs de cette thèse de doctorat ont été de réaliser la synthèse et la caractérisation structurale et dieléctrique des échantillons céramiques ferroélectriques appartenants au système Pb1-xRxZr0,40Ti0,60O3 avec R = Ba et La et x entre 0,00 à 0,50. Ce système a été choisi car il est un matériel ferroélectrique qui a des propriétés physiques intéressantes, comme haute constante diélectrique et piézo-électrique, ce qui les rend candidats potentiels pour des applications telles que les condensateurs à haute densité d'énergie et les actionneurs. Afin d'évaluer le comportement relaxor, les études ont été effectuées avec la variation de la composition, du type de dopage (par des atomes de la même ou différente valence - La ou Ba) et de la taille des particules de céramique, dès l'échelle micrométrique à l'échelle nanométrique. Les échantillons céramiques micrométriques ont été préparées par la méthode de réaction de l'état solide et la frittage dans un four électrique conventionnel. Les données fournies par la technique de diffraction des rayons X de cettes échantillons ont montré une transition de une phase tétragonal pour une phase cubique avec l'augmentation de la concentration de cations substituants. Ces changements ont été attribués à une diminution de distorsion dans le maille cristallographique en raison de l'apparition de défauts causés par l'incorporation de dopage. Les mesures électriques ont été obtenues par spectroscopie d'impédance et ont montré un comportement électrique relaxor à partir de compositions avec plus de 12% at. La et de 30% at. Ba pour les systèmes PLZT et PBZT, respectivement. Les mesures électriques de l'échantillon avec 12%, 13% et 14% at. La et 30% at. Ba présentent un comportement qui, selon la littérature, est liée à une transition de phase spontanée d'un comportement relaxor et au comportement d'un matérial ferroélectrique normal. La technique de diffraction des rayons X a également été utilisé pour surveiller le processus de transition de phase en fonction de la température pour échantillons PLZT et PBZT. Il est possible de voir le changement de structure tétragonal de groupe d'espace P4mm en structure cubique de groupe d'espace Pm-3m. En ce qui concerne la structure locale, nous avons effectué des mesures expérimentales avec la technique de spectroscopie d'absorption des rayons X dans le spectre XANES aux seuils d'absorption de différents éléments pour les échantillons PLZT et PBZT. Dans les cas de seuil d'absorption K du titane, l'intégration de La et Ba atomes de la structure du PZT entraîne une diminution dans le désordre local dans le octaèdre TiO6, vérifié par la réduction du déplacement statique de atome Ti au centre de l'octaèdre TiO6. Cette évolution est plus faible pour les échantillons que montrent le comportement relaxor. Les spectres d'absorption EXAFS au seuil LIII du plomb et seuil K du zirconium ont été effectués aussi et ces mesures indiquent que la structure locale autour des atomes de plomb ou de zirconium est également affectée par l'introduction des atomes de La et Ba dans la structure. Le comportement relaxor a été aussi étudié en fonction de la taille de grain dans une échelle nanométrique. Ainsi les échantillons de compostions PZT, PLZT11 et PBZT10 ont eté préparés en utilisant la méthode de synthèse chimique de polymères précurseurs et le processus de frittage par spark plasma. La caractérisation de ces échantillons par diffraction de rayons X montrent que les paramétres de maille réduisent en comparison avec les échantillons de même composition et taille de grain micrométrique. Pour l'échantillon de composition PLZT11, il est possible de constater le comportement relaxor par les mesures de la constante dieléctrique en fonction de la température. Les changements quand la taille de grain est dans une échelle nanométrique sont attribués à la limitation des frontières de grains, qui provoquent un systéme de tension, responsable de la diminuition des paramétres de maille, et provoquent l'apparition de domaines ferroélectriques nanométriques

Ce rapport de thèse présente une étude de la dynamique transitoire de molécules de taille réduite en solution induite par photoexcitation. Celle-ci est réalisée au travers d'une expérience de mesure de diffusion de rayons X aux grands angles (TR-WAXS). La partie principale de ce rapport s'articule autour de la dertermination des structures transitoires avec l'utilisation de plusieurs schémas structurelles d'optimisation. Certains résultats obtenus par TR-WAXS sont complétés avec ceux obtenus par spectroscopie optique résolue dans le temps (TOAS) ainsi que par spectroscopie d'émission de rayons X de ces molécules (TR-XES) permettant une plus complète description de ces systèmes.Ce travail est composé de 4 differents projets lesquelles peuvent être regroupé en 2 groupes selon le type de réaction declenchées par photoexcitation: dissociation et transfert d'électron. Le premier groupe comprends la molécule triatomique de mercure, halogénure métallique et le triiodide où nous étudions la dynamique de recombinaison des photofragments libres. Cette partie démontre la possibilité de développer de nouvelles connaissances concernant la dynamique de ces modèles, comme par exemple, la découverte de la recombinaison par canaux ou bien par l'apparition de réactions intermédiaires en moins de 100 ps, correspondant à la longueur de l'impulsion de rayons X générée par le synchrotron, mise en évidence en utilisant la technique de découpage temporelle. Le deuxième groupe de systèmes est composé de complexes de métaux de transition, très pertinents pour les applications liées à la récolte de lumière, [Fe(NHC)2]2+ et Ru=Co, où le spin et les structures dynamiques sont étudiées. Ces projets prolongent de précedents travaux à une famille de systèmes plus complexes avec un numéro atomique bas (première colonne de transition metallique) et fait la lumière sur de nouveaux composés en photochimie. / This thesis investigates photoinduced transient dynamics of small molecules in solution with the use of time-resolved wide angle x-ray scattering (TR-WAXS). The core of the thesis is the precise determination of transient structures with the use of various structural optimization schemes. Some of the TR-WAXS results are supplemented with transient absorption optical spectroscopy (TOAS) and time-resolved x-ray emission spectroscopy (TR-XES) measurements allowing for a more complete description of the systems.par The work includes four different projects which can be grouped into two classes according to the type of reaction appearing upon photoexcitation: dissociation and electron transfer. The first class includes the simple triatomic molecules mercury halides and triiodide where we study the recombination dynamics of the free photofragments. This part of the thesis demonstrates the possibility to gain new knowledge about the dynamics of these model systems such as new recombination channels and reaction intermediates appearing in less than 100 ps, the xray pulse length from the synchrotron, by the use of time-slicing technique. The second class of systems includes transition metal complexes that are highly relevant for light harvesting applications, [Fe(NHC)2]2+ and Ru=Co, where the spin and structural dynamics are investigated. These projects extend previous work to a family of more complex systems constituted of relatively low-Z atoms (first row transition metals) and bring new insights into the photochemistry of the compounds.

Nous nous proposons d'étudier l'interaction au niveau de l'interface entre un matériau antiferromagnétique et un ferromagnétique par un ensemble de techniques expérimentales qui utilisent le rayonnement synchrotron. Nous sommes particulièrement intéressés par l'effet de couplage d'échange dans les couches minces magnétiques avec anisotropie hors du plan. Les systèmes que nous avons étudiés sont les couches ordonnées chimiquement, FePt et MnPt sur Pt(001), et Fe/Ag(001), éventuellement couplée à CoO. Notre approche consiste à trouver de surfaces adaptées et d'étudier, pour chaque bicouche, la croissance individuelle de chaque élément, alliage ou oxyde. A travers le contrôle d'un certain nombre des paramètres, comme la structure de la surface, la propreté, le taux et la température de déposition, nous avons obtenus une bonne connaissance du processus de croissance. Les systèmes obtenus ont été étudiés in situ par la diffraction de surfaces et ex situ par l'effet Kerr magnéto-optique, le dichroïsme circulaire magnétique de rayons X et la spectroscopie d'absorption de rayons X. La relation entre le couplage d'échange, qui se manifeste par l'augmentation de la coercivité et par un champ de décalage, et la structure des couches est discutée pour les interfaces MnPt/FePt and CoO/Fe. / Our aim is to study the interaction of antiferromagnetic and ferromagnetic materials with well-defined interface by combining structural, electronic and magnetic techniques using synchrotron light. Our interest is guided by the exchange bias effect in thin ferromagnetic films with perpendicular magnetic anisotropy. The main systems studied in this work were ultra-thin layers of chemically-ordered alloys of FePt and MnPt on Pt(001) and of Fe/Ag(001), eventually coupled to CoO. Our strategy was to find an appropriate surface and, for each coupled bilayer, study the individual growth of each element, alloy or oxide. By controlling a variety of parameters, such as surface structure, cleanliness, deposition rate and temperature, we have got a good understanding of the growth process. The coupled systems obtained were studied in situ by grazing incidence X-ray diffraction and ex situ by magneto-optic Kerr effect, X-ray magnetic circular dichroism and X-ray absorption spectroscopy. The relation between the exchange coupling, which manifests itself by an increase in coercivity and a bias field, and the structural characteristics was discussed for the MnPt/FePt and CoO/Fe interfaces.Keywords: exchange bias, chemically ordered alloy, MnPt, FePt, Fe/Ag(001), surface X-ray diffraction, X-ray absorption, MOKE, synchrotron.

Dans cette thèse, nous avons étudié plusieurs combinaisons de matériaux et quelques méthodes d’ingénierie des interfaces : introduction de barrières de Zr dans les multicouches Co/Mg ; pulvérisation réactive des multicouches Co/Ti ; incorporation de B et C dans les multicouches Cr/Ti and remplacement de Mo par Mo2C dans le système Mo/B4C. Les propriétés des interfaces enterrées ont pu être étudiées en combinant XRR, XPS, TEM, etc. De plus, un modèle pour analyser les empilements a été développé en se basant sur la fluorescence X induite par ondes stationnaires. Pour les multicouches à base de Co, nous avons effectué des mesures RMN pour comprendre le comportement des atomes de cobalt dans les empilements. Ces méthodes se révèle des outils puissants pour analyser les multicouches sans dommages. / In this thesis, we study several material combinations and some interface engineering methods...

A travers l’étude par fluorescence X et diffraction de rayons X de trois grottes ornées Paléolithiques en rapport avec les questionnements des archéologues, c’est un travail de recherche physico-chimique autant que méthodologique qui est présenté au lecteur. La complexité analytique qu’il y a derrière l’étude in situ et non-invasive d’un art rupestre, a guidé notre réflexion sur le développement de procédures de traitement quantitatif des données, adaptées au site étudié (nature des pigments analysés, condition de conservation des œuvres). Cette complexité vient du fait qu’une couche picturale, tracée sur un support rocheux, est discontinue et ne recouvre pas uniformément la roche. Elle est de plus généralement peu épaisse. Pour ces raisons, une forte contribution de la paroi se retrouve dans l’information physico-chimique propre au pigment.Trois approches différentes ont ainsi été proposées pour approcher la matière picturale des grottes de Rouffignac et de Font-de-Gaume, situées en Périgord dans le sud-ouest de la France, et de la grotte de La Garma, localisée dans la région Cantabrique dans le nord de l’Espagne. L’une consiste en la semi-quantification d’oxydes discriminant le pigment de la paroi, bouclés à cent pourcent, permettant de s’affranchir de paramètres propres aux conditions expériences ; une deuxième est une semi-quantification par rapport à l’élément calcium, de sorte que la contribution de la paroi à travers la couche picturale reste la même d’un point de mesure à l’autre ; la dernière adopte une approche par simulation Monte Carlo afin de séparer clairement les informations de la paroi de celles du pigment. L’application de ces approches quantitatives a permis d’enrichir la connaissance stylistique que les archéologues en avaient, en apportant une vision physico-chimique à l’organisation des œuvres au sein de la grotte et des relations qu’elles entretiennent les unes avec les autres. Ce travail s’ouvre également au milieu karstique lui-même en intégrant à l’étude de l’art pariétal, un travail sur la genèse des faciès des parois. Le but étant d’acquérir le recul nécessaire pour mieux évaluer les interactions entre support et œuvres, et l’évolution des supports ornés, resituées dans leur contexte karstique général. / The present study is a physicochemical research as well as a methodological work, carried out through the study of three Palaeolithic caves by X-ray fluorescence and X-ray diffraction. The analytical complexity behind in situ and non-invasive study of rock art, has guided our reflexion about the development of quantitative procedures of data processing, in order to adjust them appropriately to the specificity of the site and its rock art (specific constitution of the analysed pigment and conservation condition of the ornamented wall). This complexity is due to the fact that pigment layers don’t cover uniformly the rock surface. Also, the layers are generally very thin. For this reason, in the pigment signal, the proportion of the physicochemical information specific to the substrate is very high.Three approaches have been tested in the caves of Rouffignac, Font-de-Gaume and La Garma to characterise their Palaeolithic rock art. The two first are located in the Périgord region in the south-west of France, the last one in the Cantabrian region of Spain. One is related to the semi-quantification of oxides which discriminate the pigment from the substrate, allowing to not taking account experimental condition parameters; the second is a semi-quantification related to Ca, in order that the contribution in the concentration of the substrate detected through the paint layer remains the same for each measurement point; the last one is based on a Monte Carlo simulations method to separate distinctly the pigment information to those from the wall. These quantitative approaches enhanced the stylistic knowledge of archaeologists, bringing new physicochemical insights into the organisation of the representations and their relationship with the others inside the cave. Also, this work is concerned by the karstic environment; incorporating a research on wall taphonomy to the pigment study. The aim is to access to a better appreciation of the pigment-wall interactions and their evolution during time, given their global environmental context.

Dès l'Antiquité, les oculistes, médecins spécialisés dans le soin des yeux, utilisaient des médicaments solides sophistiqués appelés collyres. Ils étaient composés de substances minérales, végétales et animales. Ce travail résulte d'une collaboration interdisciplinaire destinée à préciser la composition chimique et les structures des phases inorganiques ainsi que les procédés de fabrication de ces collyres. Les techniques analytiques mises en œuvre sont la spectroscopie Raman, la spectrométrie de fluorescence des rayons X (XRF) et la diffraction des rayons X (XRD). L'étude de la stabilité de réplicas à base de sels métalliques (plomb, zinc, cuivre, fer), fréquemment mentionnés dans les textes antiques, a permis de préciser les phases initialement présentes dans ces médicaments. Quatre collections de collyres archéologiques (Musée Gallo-Romain de Lyon, Musée d'Archéologie Nationale, Cabinet des Médailles de la BnF, Musée Atestino d'Este) ont été étudiées sur site au moyen d'instruments portables. Une méthodologie, combinant les résultats obtenus par XRF et par XRD, a été développée afin d'obtenir les proportions entre les phases inorganiques présentes. Les compositions obtenues par analyses physico-chimiques ont ainsi été comparées aux compositions décrites dans les textes anciens et, pour la première fois, des liens entre les deux ont été établis. / In the Antiquity, oculists (eye care specialised physicians) mixed mineral, vegetal and animal substances to prepare elaborate solid medicines termed collyria. In an interdisciplinary work, we investigated the chemical composition, the inorganic phases structure and the manufacturing process of such collyria. The implemented analytical techniques were Raman spectroscopy, X-ray fluorescence (XRF) and X-ray diffraction (XRD). The stability of metallic salts based replicas prepared according to ancient texts recipes was studied in order to identify the pristine phases. Four collections of archaeological collyria (Musée Gallo-Romain de Lyon, Musée d’Archéologie Nationale, Cabinet des Médailles de la BnF, Musée Atestino d’Este) were studied on site, using portable devices. A methodology combining XRF and XRD results was developed to quantify the inorganic phases distribution. For the first time, a straight relationship was established between compositions obtained by physico-chemical analysis and ancient recipes.

L’objectif du projet, dont le travail présenté dans cette thèse est une partie, était de développer une caméra à rayons X ultra-rapide utilisant des pixels hybrides pour l’imagerie biomédicale et la science des matériaux. La technologie à pixels hybrides permet de répondre aux besoins des ces deux champs de recherche, en particulier en apportant la possibilité de sélectionner l’énergie des rayons X détectés et de les imager à faible dose. Dans cette thèse, nous présentons une caméra ultra-rapide basée sur l’utilisation de circuits intégrés XPAD3-S développés pour le comptage de rayons X. En collaboration avec l’ESRF et SOLEIL, le CPPM a construit trois caméras XPAD3. Deux d’entre elles sont utilisée sur les lignes de faisceau des synchrotrons SOLEIL et ESRF, et le troisième est installé dans le dispositif d’irradiation PIXSCAN II du CPPM. La caméra XPAD3 est un détecteur de rayons X de grande surface composé de huit modules de détection comprenant chacun sept circuits XPAD3-S équipés d’un système d’acquisition de données ultra-rapide. Le système de lecture de la caméra est basé sur l’interface PCI Express et sur l’utilisation de circuits programmables FPGA. La caméra permet d’obtenir jusqu’à 240 images/s, le nombre maximum d’images étant limité par la taille de la mémoire RAM du PC d’acquisition. Les performances de ce dispositif ont été caractérisées grâce à plusieurs expériences à haut débit de lecture réalisées dans le système d’irradiation PIXSCAN II. Celles-ci sont décrites dans le dernier chapitre de cette thèse. / The aim of the project, of which the work described in this thesis is part, was to design a high-speed X-ray camera using hybrid pixels applied to biomedical imaging and for material science. As a matter of fact the hybrid pixel technology meets the requirements of these two research fields, particularly by providing energy selection and low dose imaging capabilities. In this thesis, high frame rate X-ray imaging based on the XPAD3-S photons counting chip is presented. Within a collaboration between CPPM, ESRF and SOLEIL, three XPAD3 cameras were built. Two of them are being operated at the beamline of the ESRF and SOLEIL synchrotron facilities and the third one is embedded in the PIXSCAN II irradiation setup of CPPM. The XPAD3 camera is a large surface X-ray detector composed of eight detection modules of seven XPAD3-S chips each with a high-speed data acquisition system. The readout architecture of the camera is based on the PCI Express interface and on programmable FPGA chips. The camera achieves a readout speed of 240 images/s, with maximum number of images limited by the RAM memory of the acquisition PC. The performance of the device was characterize by carrying out several high speed imaging experiments using the PIXSCAN II irradiation setup described in the last chapter of this thesis.