La matière condensée moderne porte un intérêt particulier pour la classe de matériaux formée par les isolants topologiques. Ils sont différents des isolants typiques par leurs intéressantes propriétés quantiques; ils se comportent comme des isolants dans leur intérieur, mais contiennent des états conducteurs sur leur surface. On peut mieux comprendre le comportement de certains systèmes en matière condensée, tel que les chaînes de polyacétylène, en étudiant un système unidimensionnel simple : le modèle de Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Le modèle SSH décrit des fermions sans spin sautant sur un réseau unidimensionnel où les amplitudes de saut alternent d’un site à l’autre. Ce modèle, bien que simpliste, expose les propriétés clés des isolants topologiques tel que les états délocalisés dans tout le réseau ainsi que les états exponentiellement localisés aux frontières du réseau. Dans ce projet, nous étudions le modèle SSH, mais en ajoutant un défaut central dans le réseau qu’on appelle un soliton. Dans notre cas, le soliton consiste en un site central donc les amplitudes de saut sont les mêmes d’un côté et de l’autre. Nous trouvons un ensemble de solutions complet incluant des états de basse énergie localisés aux frontières ainsi que des états de haute énergie localisés au soliton. / Topological insulators are a class of materials that have attracted much attention in modern condensed matter. They are different from typical insulators as they exhibit interesting quantum properties; they behave as insulators in their interior but have conducting states on their surface. We can better understand the properties of low dimensional condensed matter systems (like poly-acetylene chains) by studying a toy model known as the Su-Schrieffer-Heeger (SSH) Model. The SSH model describes spinless fermions hopping on a one-dimensional lattice with staggered hopping amplitudes. Such a toy model exhibits key properties of topological insulators, such as bulk states (delocalized states across the lattice) and edge states (exponentially localized states at the boundaries of the lattice). In this project, we study the SSH model with an added central defect to the chain, which we call a soliton. In our case, the soliton consists of a central site with the same hopping amplitude on either side. We study the impact of such a defect on the properties of the system; we find a complete set of solutions including near-zero-energy edge states as well as high-energy states localized at the soliton.

Le fer et les alliages à base de fer présentent un intérêt considérable pour la communauté de la modélisation des matériaux en raison de l’immense importance technologique de l’acier. Les alliages ferritiques à base de fer sont largement utilisés dans les industries aéronautique et nucléaire en raison de leur résistance mécanique élevée, de leur faible dilatation à haute température et de leur résistance à la corrosion. Ces propriétés sont cependant affectées par des défauts ponctuels intrinsèques et extrinsèques. Dans cette thèse, nous décrivons en détail la cinétique des défauts ponctuels dans le fer α en utilisant la technique d’activation-relaxation cinétique (ARTc), une méthode de Monte Carlo cinétique hors réseau avec construction de catalogue à la volée. Plus précisément, nous nous intéressons aux mécanismes de diffusion du carbone (C) et des amas de lacunes dans le fer α. Dans un premier temps, nous étudions l’effet de la pression sur la diffusion du carbone dans le joint de grains de fer α. Nous constatons que l’effet de la pression peut fortement modifier la stabilité et la diffusivité du carbon dans le joint de grains d’une manière qui dépend étroitement de l’environnement local et de la nature de la déformation. Ceci peut avoir un impact majeur sur l’évolution des matériaux hétérogènes, avec des variations de pression locale qui altéreraient fortement la diffusion à travers le matériau. Nous étudions également l’évolution structurale des amas de lacunes contenant de deux à huit lacunes dans le fer α. Nous décrivons en détail le paysage énergétique, la cinétique globale et les mécanismes de diffusion associés à ces défauts. Nos résultats montrent des mécanismes de diffusion complexes même pour des défauts aussi simples que de petits amas de lacunes. Enfin, dans le dernier chapitre, nous discutons une approche de gestion de petites barrières par bassin local dans ARTc. Les simulations de Monte Carlo cinétiques deviennent inefficaces dans les systèmes où le paysage énergétique est constitué de bassins avec de nombreux états reliés par des barrières énergétiques très faibles par rapport à celles nécessaires pour quitter ces bassins. Au fur et à mesure que le système évolue état par état, il est beaucoup plus susceptible d’effectuer des événements répétés (appelés oscillateurs) à l’intérieur du bassin d’énergie de piégeage que de s’échapper du bassin. De tels osccilateurs ne font pas progresser la simulation et ne fournissent que peu d’informations au-delà d’uen première évaluation de ces états. Notre algorithme de bassin local détecte, à la volée, des groupes d’états oscillants et les consolide en bassins locaux, que nous traitons avec la méthode de taux moyen d’auto-construction de bassin (bac-MRM), une approche de type équation maîtresse selon la méthode du taux moyen. / Iron and iron-based alloys are of considerable interest to the materials modelling community because of the immense technological importance of steel. Iron-based ferritic alloys are widely used in aeronautic and nuclear industries due to their high mechanical strength, low expansion at high temperatures, and corrosion resistance. These properties are affected by intrinsic and extrinsic point defects, however. In this thesis, we describe in detail the kinetics of point defects in α−iron using the kinetic activation-relaxation technique (kART), an off-lattice kinetic Monte Carlo method with on-the-fly catalog building. More specifically, we focus on the diffusion mechanisms of carbon and vacancy clusters in α−iron. First, we study the pressure effect on carbon diffusion in the grain boundary (GB) of α−iron. We find that the effect of pressure can strongly modify the C stability and diffusivity in the GB in ways that depend closely on the local environment and the nature of the deformation. This can have a major impact on the evolution of heterogeneous materials, with variations of local pressure that would strongly alter diffusion across the material. We also study the structural evolution of vacancy clusters containing two to eight vacancies in α−iron. We describe in detail the energy landscape, overall kinetics, and diffusion mechanisms associated with these defects. Our results show complex scattering mechanisms even for defects as simple as small vacancy clusters. Finally, in the last chapter, we discuss a local basin approach to managing low barrier events in the kART. Kinetic Monte Carlo simulations become inefficient in systems where the energy landscape consists of basins with numerous states connected by very low energy barriers compared to those needed to leave these basins. As the system evolves state by state, it is much more likely to perform repeated events (so-called flickers) inside the trapping energy basin than to escape the basin. Such flickers do not progress the simulation and provide little insight beyond the first identification of those states. Our local basin algorithm detects, on the fly, groups of flickering states and consolidates them into local basins, which we treat with the basin-auto-constructing Mean Rate Method (bac-MRM), a master equation-like approach based on the mean-rate method.

La friction entre les surfaces mobiles de l’organisme peut être un problème difficile à résoudre, notamment dans les pathologies dégénératives comme l’arthrose ou la sécheresse oculaire. Malgré le développement de nombreux produits pharmaceutiques, les matériaux actuellement utilisés pour protéger les tissus blessés et les dispositifs biomédicaux contre l'usure par frottement sont encore limités dans leurs performances. Il existe un besoin urgent de matériaux injectables capables de protéger ces tissus et dispositifs afin de prolonger leur durée de vie et de traiter efficacement des maladies dégénératives. Parmi les innovations de la dernière décennie, les polymères à structure dite « en brosse » (BBs) se sont révélés prometteurs pour amoindrir les problèmes de friction et d'usure. Inspirés de l’architecture spécifique du protéoglycane 4, l'un des principaux composants lubrifiants du cartilage, les macromolécules BBs sont constituées d’un squelette linéaire et de chaînes latérales formant une brosse dense pouvant maintenir de l’eau sous une pression élevée. Les différentes structures des BBs, selon le squelette et leurs chaînes latérales, conduisent à plusieurs caractéristiques morphologiques et propriétés tribologiques intéressantes dans l’ingénierie tissulaire. Bien que leurs propriétés lubrifiantes aient été prouvées dans plusieurs études, les BBs n’ont à ce jour que peu d’applications. D’une part, la corrélation entre leur structure et leurs propriétés physicochimiques n’est pas encore clairement établie. D’autre part, il manque encore des études relatives à l’efficacité des BBs sur de vrais tissus. Pour pallier ce problème, notre projet vise à caractériser les propriétés physicochimiques et tribologiques des BBs sur différents types de surfaces en fonction de leur structure. La longueur du squelette, la densité de greffage et l’addition du groupe d’ancrage sont les 3 variables principales étudiées dans ce projet. La lubrification ainsi que d’autres propriétés importantes des BBs ont été évaluées sur les surfaces molles des cartilages, des yeux et des lentilles en contact. Les tests tribologiques ont été menés en utilisant un appareil à force de surface (SFA) via l’association du protocole classique et avancé qui l’adapte aux surfaces testées. A côté de la tribologie, l’affinité cinétique, la toxicité, les propriétés antisalissure et anti-inflammatoire des BBs sur les interfaces ont aussi été étudiées dans ce projet via les techniques de LigandTracer et de microscope fluorescent. / Friction between the body's moving surfaces can be a difficult problem to solve, particularly in degenerative pathologies such as osteoarthritis or dry eye. Despite the development of numerous pharmaceutical products, the materials currently used to protect injured tissues and biomedical devices against frictional wear are still limited in their performance. There is an urgent need for injectable materials capable of protecting these tissues and devices in order to extend their life and effectively treat degenerative diseases. Among the innovations of the last decade, polymers with a so-called "brush structure" (BBs) have shown promise in reducing friction and wear problems. Inspired by the specific architecture of proteoglycan 4, one of the main lubricating components of cartilage, BBs macromolecules consist of a linear backbone and side chains forming a dense brush capable of holding water under high pressure. The different structures of BBs, depending on the backbone and their side chains, lead to several morphological features and tribological properties of interest in tissue engineering. Although their lubricating properties have been proven in several studies, BBs have few applications to date. On the one hand, the correlation between their structure and physicochemical properties has not yet been clearly established. On the other hand, studies on the effectiveness of BBs on real tissues are still lacking. To overcome this problem, our project aims to characterize the physicochemical and tribological properties of BBs on different types of surfaces, depending on their structure. Backbone length, graft density and anchoring group are the 3 main variables studied in this project. Lubrication and other important properties of BBs were evaluated on the soft surfaces of cartilages, eyes and contact lenses. Tribological testing was carried out using a Surface Force Apparatus (SFA) via a combination of the classic and advanced protocol, adapting it to the surfaces tested. Alongside tribology, the kinetic affinity, toxicity, anti-fouling and anti-inflammatory properties of BBs on interfaces were also studied in this project via LigandTracer and fluorescent microscopy techniques.

Les surfaces cristallines jouent un rôle essentiel dans grand nombre d'applications des nanotechnologies, une surface étant souvent un support nécessaire pour des nano-objets. La surface support peut être à son tour nano-structurée, et intervenir ainsi directement dans les propriétés du matériau réalisé. Ainsi, parmi les défis à relever pour maîtriser la morphologie de la surface et donc contrôler les nanostructures, il y a la compréhension des mécanismes moteurs à l'origine des instabilités de surface. Ce travail de thèse constitue une étude théorique accompagnée par des simulations Monte-Carlo de la dynamique des instabilités de croissance. C'est une contribution à la compréhension des mécanismes microscopiques gouvernant ces instabilités. Deux démarches ont été suivies dans cette étude : la première est une étude statistique qui consiste à analyser la morphologie de la surface instable, puis de proposer des modèles numériques (barrière Ehrlich-Schwoebel, impuretés) et des équations analytiques capables de décrire ces instabilités et remonter enfin aux mécanismes atomistiques sous-jacents. La deuxième, est une étude de la dynamique des marches qui a pour but de prévoir puis de déterminer les mécanismes atomistiques exacts gouvernants le mouvement de ces marches et les échanges de matière entre elles à l'aide de mesures de la distribution de largeur des terrasses (TWD). Les résultats de ce travail ont abouti à la mise en évidence de nouveaux mécanismes de nanostructuration spontanée [impuretés], ainsi que sur le développement et la validation numérique de nouveaux outils mathématiques [approche de Fokker-Planck] pour décrire les fluctuations des séparations entre les marches (TWDs) sur les surfaces loin de l'équilibre.

Présentes dans de nombreux dispositifs comme les jonctions tunnel magnétiques ou les systèmes cluster/oxyde utilisés en catalyse hétérogène, les interfaces métal/oxyde présentent des propriétés spécifiques venant du raccordement entre deux matériaux de structure atomique et surtout de structure électronique très différentes. Ce projet de recherche repose sur l'étude, par diverses techniques de spectroscopies de photoémission, de la géométrie et de la structure électronique aux interfaces MgO/Ag(001) pour des épaisseurs d'oxyde subnanométriques. Nous avons, tout d'abord, montré que la valeur de la hauteur de la barrière Schottky (SBH) à l'interface pouvait être décrite grâce au modèle de Schottky-Mott et d'un effet de polarisation induit par le MgO. Ensuite, une attention particulière a été portée sur la capacité à contrôler la hauteur de barrière Schottky à l'interface MgO/métal en modifiant les conditions de préparation/traitement de la couche d'oxyde. Enfin, l'étude par diffraction de photoélectrons de films minces de MgO dans un régime de très faible épaisseur a révélé des propriétés originales de l'interface MgO/métal quant aux propriétés de relaxation électronique, permettant ainsi d'obtenir une résolution couche par couche de l'interface MgO/Ag(001). Cette résolution expérimentale, confrontée à des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), a été utilisée pour démontrer la possibilité d'intercaler des atomes de Mg à l'interface MgO/Ag(001). La variation de travail de sortie du système induite par la présence de ces impuretés est corrélée à la modification des effets de polarisation induits par le MgO.

Les matériaux semiconducteurs III N (AlN, GaN, InN) présentent des propriétés intéressantes pour la micro et l'opto-électronique. Ils peuvent être soumis à différents types d'irradiation dans une large gamme d'énergie de projectile. Dans l'AlN, initialement considéré insensible aux excitations électroniques (Se), nous avons mis en évidence une synergie inédite entre Se et les chocs nucléaires (Sn) pour la création de défauts absorbants à 4.7 eV. Par ailleurs, un autre effet du Se est mis en évidence dans l'AlN : les dislocations vis subissent, sous l'effet du Se, une montée aux fortes fluences d'irradiation. Dans le GaN, deux mécanismes de création peuvent être à l'origine des défauts absorbants à 2.8 eV: une synergie entre Se et Sn, ou une création uniquement due à Sn mais avec un fort effet de la taille des cascades de déplacement. L'étude, par MET, des effets de Se dans les trois matériaux, montre un comportement très différent d'un matériau à l'autre bien qu'ils appartiennent à la même famille des nitrures avec la même structure atomique. Sous irradiation aux ions monoatomiques (vitesse entre 0.4 et 5 MeV/u), tandis que l'on observe des traces discontinues dans le GaN et l'InN, aucune trace n'est observée dans l'AlN avec le plus fort pouvoir d'arrêt électronique (33 keV/nm). Il faut des fullerènes pour observer des traces dans l'AlN. Le modèle de la pointe thermique inélastique a permis de calculer les énergies nécessaires pour produire des traces dans l'AlN, le GaN et l'InN, elles sont respectivement de 4.2 eV/atome, 1.5 eV/atome et 0.8 eV/atome. Cette différence de sensibilité aux effets de Se, se retrouve également aux fortes fluences d'irradiation.

The goals of this thesis are the characterization of polymer melts using mainly non-linear shear and extensional rheological techniques. The fabrication of scaffolds with excellent physical and mechanical properties using solution electrospinning technology for tissue engineering applications and the development of melt electrospinning equipment to facilitate the fabrication of solvent free scaffolds. To achieve the first goal, we focused on the characterization of entangled polymer melts in the linear and nonlinear viscoelastic regimes. The influence of molecular weight, Mw, molecular weight distribution (MWD), long-chain branching (LCB) and addition of particles to the polymer matrix on polymer melt properties were investigated using shear and extensional rheological techniques. The resulting structure-property relationships were established using newly introduced mechanical parameters under large amplitude oscillatory shear (LAOS) flow.

Cette thèse avait pour premier objectif de comprendre les mécanismes d'auto-organisation entre nanoparticules de ZnO. Synthétisées via une technique physique combinant ablation laser et détente supersonique (la LECBD), les nanoparticules obtenues sont stoechiométriques, cristallisées et sans ligand. Grâce à la DRX et HRTEM, nous avons pu identifier la nature du mécanisme régissant le collage orienté des nanoparticules. Son impact sur la luminescence de couches minces de ZnO est de première importance pour des applications opto-électroniques. La microscopie confocale nous a permis de caractériser finement les spectres optiques de films nanostructurés. Une méthode originale combinant STEM et cathodoluminescence a permis de révéler une hétérogénéité nanométrique de la luminescence issue du collage orienté. Par ailleurs, des phénomènes fondamentaux tels que le blinking, ou bleaching pour une nanoparticule unique de ZnO ne sont pas connus. La LECBD permet d'obtenir des nanoparticules isolées et triées en masse. Nous avons ainsi pu observer la luminescence d'une collection de 50 nanoparticules sous faisceau (état de l'art), donnant accès aux paramètres intrinsèques de la luminescence d'une particule unique. A ce jour, le dopage de type p par substitution reste un verrou technologique dans ZnO freinant le développement d'applications optoélectroniques. Un dernier objectif a donc été d'explorer numériquement les possibilités d'un autre type de dopage dans ZnO à savoir le dopage endohédral. Nous avons montré que le dopage de type p était possible dans la sodalite, une structure cage hypothétique pour ZnO, ce qui ouvre la voie à de nouveaux champs d'investigation dans ce domaine

Cette thèse porte sur l’optimisation des techniques de compression d'images fixes et de vidéos en vue de la caractérisation des matériaux pour des applications dans le domaine de la mécanique, et s’inscrit dans le cadre du projet de recherche MEgABIt (MEchAnic Big Images Technology) soutenu par l’Université Polytechnique Hauts-de-France. L’objectif scientifique du projet MEgABIt est d’investiguer dans l’aptitude à compresser de gros volumes de flux de données issues d’instrumentation mécanique de déformations à grands volumes tant spatiaux que fréquentiels. Nous proposons de concevoir des algorithmes originaux de traitement dans l’espace compressé afin de rendre possible au niveau calculatoire l’évaluation des paramètres mécaniques, tout en préservant le maximum d’informations fournis par les systèmes d’acquisitions (imagerie à grande vitesse, tomographie 3D). La compression pertinente de la mesure de déformation des matériaux en haute définition et en grande dynamique doit permettre le calcul optimal de paramètres morpho-mécaniques sans entraîner la perte des caractéristiques essentielles du contenu des images de surface mécaniques, ce qui pourrait conduire à une analyse ou une classification erronée. Dans cette thèse, nous utilisons le standard HEVC (High Efficiency Video Coding) à la pointe des technologies de compression actuelles avant l'analyse, la classification ou le traitement permettant l'évaluation des paramètres mécaniques. Nous avons tout d’abord quantifié l’impact de la compression des séquences vidéos issues d’une caméra ultra-rapide. Les résultats expérimentaux obtenus ont montré que des taux de compression allant jusque 100 :1 pouvaient être appliqués sans dégradation significative de la réponse mécanique de surface du matériau mesurée par l’outil d’analyse VIC-2D. Finalement, nous avons développé une méthode de classification originale dans le domaine compressé d’une base d’images de topographie de surface. Le descripteur d'image topographique est obtenu à partir des modes de prédiction calculés par la prédiction intra-image appliquée lors de la compression sans pertes HEVC des images. La machine à vecteurs de support (SVM) a également été introduite pour renforcer les performances du système proposé. Les résultats expérimentaux montrent que le classificateur dans le domaine compressé est robuste pour la classification de nos six catégories de topographies mécaniques différentes basées sur des méthodologies d'analyse simples ou multi-échelles, pour des taux de compression sans perte obtenus allant jusque 6: 1 en fonction de la complexité de l'image. Nous avons également évalué les effets des types de filtrage de surface (filtres passe-haut, passe-bas et passe-bande) et de l'échelle d'analyse sur l'efficacité du classifieur proposé. La grande échelle des composantes haute fréquence du profil de surface est la mieux appropriée pour classer notre base d’images topographiques avec une précision atteignant 96%. / This PhD. thesis focuses on the optimization of fixed image and video compression techniques for the characterization of materials in mechanical science applications, and it constitutes a part of MEgABIt (MEchAnic Big Images Technology) research project supported by the Polytechnic University Hauts-de-France (UPHF). The scientific objective of the MEgABIt project is to investigate the ability to compress large volumes of data flows from mechanical instrumentation of deformations with large volumes both in the spatial and frequency domain. We propose to design original processing algorithms for data processing in the compressed domain in order to make possible at the computational level the evaluation of the mechanical parameters, while preserving the maximum of information provided by the acquisitions systems (high-speed imaging, tomography 3D). In order to be relevant image compression should allow the optimal computation of morpho-mechanical parameters without causing the loss of the essential characteristics of the contents of the mechanical surface images, which could lead to wrong analysis or classification. In this thesis, we use the state-of-the-art HEVC standard prior to image analysis, classification or storage processing in order to make the evaluation of the mechanical parameters possible at the computational level. We first quantify the impact of compression of video sequences from a high-speed camera. The experimental results obtained show that compression ratios up to 100: 1 could be applied without significant degradation of the mechanical surface response of the material measured by the VIC-2D analysis tool. Then, we develop an original classification method in the compressed domain of a surface topography database. The topographical image descriptor is obtained from the prediction modes calculated by intra-image prediction applied during the lossless HEVC compression of the images. The Support vector machine (SVM) is also introduced for strengthening the performance of the proposed system. Experimental results show that the compressed-domain topographies classifier is robust for classifying the six different mechanical topographies either based on single or multi-scale analyzing methodologies. The achieved lossless compression ratios up to 6:1 depend on image complexity. We evaluate the effects of surface filtering types (high-pass, low-pass, and band-pass filter) and the scale of analysis on the efficiency of the proposed compressed-domain classifier. We verify that the high analysis scale of high-frequency components of the surface profile is more appropriate for classifying our surface topographies with accuracy of 96 %.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'électronique de spin. Dans une première partie, nous nous intéressons à l'effet Kondo induit par un atome 3d sur une surface ferromagnétique étudié en spectroscopie à effet tunnel. Nous montrons que la signature spectroscopique observée au-dessus d'atomes uniques de Co adsorbés sur des plots de fer auto-organisés sur une surface d'Au(111) peut se dédoubler sous l'effet du couplage avec les îlots. Un modèle de résonance Fano à deux niveaux en interaction avec un continuum permet d'ajuster les spectres tunnel et d'extraire la température Kondo et le champ magnétique qui induirait le dédoublement s'il s'agissait d'un effet Zeeman. Ce champ de plusieurs dizaines de Teslas est compatible avec la valeur connue du champ d'échange à la surface du fer. Des atomes bistables entre deux sites adjacents ont été observés, montrant de façon réversible un spectre dédoublé ou non. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la polarisation de spin de la densité d'états de molécules uniques de C60 adsorbées sur une surface de Cr(001) observée en microscopie à effet tunnel résolue en spin. Les cartes de conductance différentielle et les spectres tunnel locaux montrent une magnétorésistance tunnel au-dessus des molécules. Des simulations liaisons fortes et ab initio ont permis d'identifier l'état moléculaire impliqué et de montrer que le substrat induit une levée de dégénérescence dépendant du spin. La magnétorésistance mesurée change de signe en fonction de la tension tunnel et atteint plusieurs dizaines de pourcents à des tensions de plusieurs centaines de mV.