Dissertationen zum Thema „Spectroscopie d’électrons“

L'objectif de ma thèse est d’étudier des oligonucléotides et mononucléotides par de nouvelles techniques de fragmentation comme l’EDD (Electron-Detachment-Dissociation) et l’EID (Electron-Induced-Dissociation) qui font intervenir un bombardement d'électrons. Les échantillons sont d’abord ionisés par une source electrospray (ESI) qui permet une ionisation douce. Au cours de mon travail de thèse, je me suis intéressé à l’étude de petits oligonucléotides (ADN et ARN simples brins) et de mononucléotides par EDD et EID. Tout d'abord nous optimisons les différents paramètres qui ont permis d’obtenir en ESI les espèces multichargées pour étudier les processus EDD, EID d'oligonucléotides à des états de charge différents, afin d'obtenir le maximum d'ions fragments. Ces spectres seront comparés avec les spectres SORI-CID (Collision-Induced-Dissociation) et IRMPD (Infrared-Multiphoton-Dissociation) pour mettre en évidence les spécificités de l’EDD et EID par rapport au SORI-CID. Les spectres EDD et EID montrent quelques ions fragments qui ne sont pas observés dans les spectres SORI-CID et IRMPD parce que ces derniers ne conduisent pas aux ions radicalaires. Grâce aux ions fragments radicalaires obtenus en EDD et en EID, nous avons pu accéder au séquençage d’oligonucléotides riches en thymine pour lesquels il est difficile d’obtenir des informations par les méthodes conventionnelles. Enfin nous avons utilisé des techniques particulières de la technologie ICR et qui seront présentées dans ce manuscrit
This work aims to study oligonucleotides and mononucleotides by new fragmentation techniques such as EDD (electron-detachment-dissociation) and EID (electron-induced-dissociation) involving electron bombardment. The samples are first ionized by an electrospray source (ESI), which allows a soft ionization. During my PhD, I have been interested in the study of smaller oligonucleotides (DNA and RNA single strands) and mononucleotides by EDD and EID. First the different parameters have been optimized in order to obtain by ESI multicharged species to study the EDD process of oligonucleotides with different charge states. These spectra are compared with SORI-CID spectra (Collision-Induced-Dissociation) and IRMPD (Infrared Multiphoton-Dissociation-) to highlight the specificities of the EDD and EID. Compared to SORI-CID, EDD and EID spectra show some fragment ions, which are not observed in the SORI-CID and IRMPD spectra because they do not lead to radical ions. Thanks to the radical fragment ions obtained by EDD and EID, we were able to access the sequencing oligonucleotides rich in thymine for which it is difficult to obtain information by conventional methods. Finally we used special techniques of ICR technology which will be presented in this manuscript

Une propriété remarquable des zéolithes est d’initier, spontanément ou après photo-excitation de molécules adsorbées, des états de charges séparées de très longues durées de vie potentiellement valorisables. C’est dans cet objectif que s’inscrit ce travail de thèse avec, dans un premier temps, l’étude de l’adsorption et ionisation du para-quaterphényl dans les canaux d’une ZSM-5. Ceci conduit à la formation d’un radical cation, puis d’une paire électron-trou très stable, par recombinaison indirecte du radical. Dans le but de récupérer les électrons éjectés durablement, nous avons ensuite couplé une autre molécule donneuse d’électrons (para-terphényl) à deux molécules acceptrices : le dicyanoéthylène et le dicyanobenzène. Les échantillons, notamment caractérisés par spectroscopie d’absorption UV-visible par réflexion diffuse, spectroscopie de diffusion Raman et résonance paramagnétique électronique, ont montré que la structure du dicyanobenzène permettait une stabilisation accrue des états de charges séparées, avec une localisation des électrons éjectés à proximité de la molécule. Afin de valoriser ces résultats, un transfert des électrons vers des nanoparticules de TiO2 représente une voie intéressante. Dans cette optique, nous avons utilisé une molécule acceptrice d’électrons de structure similaire au dicyanobenzène, mais capable de former une liaison chimique avec le TiO2 par le biais d’un groupe carboxyle : l’acide cyanobenzoïque. Une partie de l’étude est ainsi consacrée au greffage de l’accepteur sur le TiO2. Dans le même temps, nous avons également étudié l’adsorption du para-terphényl dans des nanofeuillets de ZSM-5, nouveau matériau zéolithique à fort potentiel
An interesting property of zeolites is to generate long-lived charge separated states after spontaneous or photoinduced ionization of adsorbed molecules. The objective of this PhD work is to valorize this phenomenon. At first, we study the adsorption and the ionization of para-quaterphenyl adsorbed in the channels of ZSM-5. This one induces the formation of a radical cation, and a very stable electron-hole pair by indirect recombination of the radical. Then, in order to recover the ejected electrons, we use another electron donor molecule (para-terphenyl) with two electron acceptor molecules: dicyanoethylene and dicyanobenzene. The samples, in particular characterized by diffuse reflectance UV-visible absorption spectroscopy, Raman scattering spectroscopy, and electron paramagnetic resonance showed that the structure of dicyanobenzene allows increasing stabilization of charge separated states, with a location of the ejected electron near molecule. In order to enhance these results, it’s very interesting to transfer electrons to nanoparticles of TiO2 plugged at the pore entry. Thus, we used an electron acceptor molecule with similar structure of dicyanobenzene but able to form a chemical bond with TiO2 through a carboxyl group: the cyanobenzoic acid. One part of the study is thus the acceptor grafting on the TiO2 nanoparticles. We also studied the adsorption of para-terphenyl in nanosheets ZSM-5, a new zeolitic material with great potential

Les mono-couches auto-assemblées (SAMs) sont des systèmes de choix pour le développement de plateformes moléculaires aux propriétés physico-chimiques contrôlées. Il s’agit de monocouches organisées de molécules bi-fonctionnelles. Ces molécules se composent d’une fonction terminale modulable, séparée d’un groupement d’ancrage par un espaceur adapté. Ainsi, les propriétés des SAMs peuvent être ajustées pour le développement de systèmes électroniques moléculaires ou de capteurs (bio)-chimiques. De plus, des structurations chimiques supplémentaires peuvent être induites par irradiation.Les méthodes d’irradiation les plus courantes impliquent des particules de haute énergie. Les dommages induits résultent de plusieurs mécanismes en compétition (ionisations, excitations, dissociations). Dans cette thèse, les électrons lents (0-20 eV) sont utilisés comme particules primaires, et les processus d’interaction électron-SAM sont étudiés afin d’identifier les résonances d’attachement électronique. Aux énergies concernées, des processus dissociatifs sélectifs et efficaces peuvent être mis à profit pour proposer des stratégies d’irradiation menant à des modifications chimiques contrôlées et optimisées.Des SAMs modèles de thiols sur or sont étudiées par une technique de spectroscopie vibrationnelle de forte sensibilité de surface, la spectroscopie de perte d’énergie d’électrons lents (HREELS). Elle permet à la fois de caractériser les SAMs et de sonder les processus d'interaction électron-molécule. Les résultats obtenus concernent les : 1) SAMs aromatiques modèles de terphénylthiol (HS-(C₆H₄)₂-C₆H₅), stabilisables par réticulation sous irradiation. Une caractérisation vibrationnelle poussée de la SAM avant et après irradiation, en portant une attention particulière au comportement des modes d’élongation ν(CH), a permis d’opposer les processus de réactivité induite à 1, 6 et 50 eV.2) SAMs d’acide mercaptoundécanoïque (HS-(CH₂)₁ ₀ -COOH), les fonctions acides terminales permettant par exemple le greffage de peptides. L’interface SAM / environnement (COO-/COOH, eau résiduelle) a été caractérisée grâce à la forte sensibilité des modes d’élongation ν(OH) aux liaisons hydrogène. La démarche mise en place peut être facilement transposée à d’autres systèmes
Self-Assembled Monolayers (SAMs) are good candidates to develop molecular platforms with controlled physico-chemical properties. A SAM is an ordered monolayer of bi-functionnal molecules. These molecules consist of an adjustable terminal function, separated from a headgroup by a chosen spacer chain. Thus, SAMs properties can be adjusted for the development of molecular electronic systems or (bio)-chemical sensors. Furthermore, additional chemical structuration can be induced by irradiation.Most current methods of irradiation involve high energy particles. The induced damages result from several competitive mechanisms (ionisations, excitations, dissociations). In this thesis, low energy electrons (0-20 eV) are used as primary particles, and the interaction processes between electrons and SAMs are studied in order to identify electron attachment resonances. At the associated energies, selective and effective dissociative processes can be induced to propose irradiation strategies leading to controlled and optimized chemical modifications.Model SAMs of thiols on gold are studied by a vibrational spectroscopy technique of strong surface sensibility, high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS). It allows at the same time to characterize SAMs and to probe electron-molecule interaction processes. The result obtained deal with : 1) Aromatic model SAMs of Terphenyl-thiol (HS-(C₆H₄)₂-C₆H₅), which can be stabilized by cross-linking under irradiation. Induced reactive processes at 1, 6 and 50 eV were compared and opposed, thanks to an advanced vibrational characterization of the SAM before and after irradiation, and by paying a particular attention to the stretching mode ν(CH) behaviour.2) Mercaptoundecanoic acid SAMs (HS-(CH₂)₁ ₀ -COOH), whose terminal functions allow for example the peptide anchoring. The interface SAM / environment (COO-/COOH, residual water) was characterized thanks to the strong sensitivity of the stretching modes ν(OH) to hydrogen bonding. The approach that was developped can be easily transposed to other systems

Afin d’accroître significativement la rapidité d’exposition de la lithographie par faisceau d’électrons, Mapper Lithography a conçu une machine permettant d’opérer avec 649 740 faisceaux d'électrons gaussiens en parallèle. Le champ d'exposition est alors divisé en 13 000 sous-champs d’une largeur de 2.2 µm, avec une zone de recouvrement de 200 nm entre eux. Plusieurs paramètres doivent être contrôlés pour atteindre les spécifications rencontrées dans les nanotechnologies : la dimension critique des motifs dans chaque sous-champs; le positionnement relatif des sous-champs (en anglais `stitching'); le positionnement des motifs par rapport à un motif déjà existant (`overlay'). Il en découle des besoins en métrologie spécifiques : très importante quantité de mesures et leur caractère innovant. Dans cette thèse, différentes techniques de métrologie optique ont été explorées afin de satisfaire ces besoins. Six nouvelles mires pour la métrologie par imagerie ont été conçues et évaluées avec des performances, en terme d’incertitude de mesure et de temps de mesure à l’état de l’art. La diffusiométrie par réflectométrie spectroscopique polarisante a été utilisée et adaptée pour la mesure de dimension critique des motifs dans chaque sous-champs. Une incertitude de mesure jusqu'à 0.4 nm a été obtenue. Des effets de résonances plasmoniques entre des nano-antennes de type papillons croisés ont été mis à profit pour mesurer le raccordement entre chaque sous-champs. Nous avons montré par simulations électromagnétiques que les désalignement DX et DY peuvent être reconstruits indépendamment
To overcome throughput limitations of electron beam lithography, Mapper Lithography designed a machine that can expose with up to 649,740 parallel Gaussian electron beams. In the exposure process, the substrate is divided into 2.2-µm-narrow stripes with a 200 nm overlap. Several parameters need to be controlled: the critical dimensions of the features in the individual stripes; the stitching between the stripes; and the overlay with respect to a previous layer. In this thesis, different optical metrology techniques are explored. Six novel targets for an image based overlay have been developed to measure in-stripe overlay and stripe-to-stripe stitching and are evaluated by total measurement uncertainty (TMU) and measurement time. Scatterometry by spectroscopic reflectometry allows for measurement of non-uniform gratings using an effective critical dimension concept, resulting in a total measurement uncertainty metric down to 0.41 nm (3σ). Stitching can be measured by cross-resonant bow-tie antennae, consisting of four triangles straddling the stitching boundary. Simulations for three different stacks show that the DX and DY stitching errors can be reconstructed independently

La microscopie électronique à balayage est une technique essentielle pour la caractérisation des matériaux. La nouvelle génération de MEB connue sous le nom de MEB à pression variable (aussi appelée MEB environnemental) permet de travailler dans des conditions moins drastiques de pression et de tension. Cependant, l’imagerie et la micro-analyse chimique rencontrent un défi majeur en ce qui concerne la diffusion du faisceau d'électrons primaires par les atomes/molécules du milieu gazeux. Ce phénomène de diffusion (skirt) conduit à l'apparition de plusieurs artéfacts au-delà de ceux qui sont familiers dans un MEB conventionnel. Le principal artéfact reconnu est la dégradation de la résolution spatiale qui est délimitée par le volume d'interaction en mode high-vacuum. Les objectifs de la recherche rapportés ici sont les suivants: (i) étudier l'ampleur et l'étendue de la fraction du faisceau d'électrons diffusée. (ii) le développement d'une méthodologie originale et nouvelle, afin de faire face à l'effet du skirt sur la résolution spatiale. L'efficacité de cette étude est démontrée par sa capacité à quantifier les effets de certains paramètres expérimentaux sur la dégradation de la résolution spatiale. En outre, la nouvelle méthodologie proposée est un atout précieux pour garder la résolution spatiale ultime obtenue en mode high-vacuum. Cela dépend fortement du nouveau volume d'interaction (appelé le volume d'interaction en mode low-vacuum) créé à la fois par la fraction du faisceau d'électrons diffusée et la fraction non-diffusée
Scanning electron microscope (SEM) is an essential technique to characterize materials. The new generation of SEMs known as a variable pressure SEM (also named environmental SEM) allows to work under less drastic conditions of pressure and voltage. However, the imaging and chemical microanalysis face a major challenge with regard to the scattering of the primary electron beam by the atoms/molecules of the gas medium. This phenomenon of beam skirting leads to the appearance of several artifacts beyond those familiar in conventional SEM. The main recognized artifact is the degradation of the spatial resolution which is delineated by the high-vacuum interaction volume. The objectives of the research reported herein were: (i) to study the magnitude and the extent of the electron beam skirt. (ii) and the development of an original and new methodology in order to deal with the effect of the electron beam skirt on the spatial resolution. The effectiveness of this study is demonstrated by its ability to quantify the effects of some experimental parameters on the degradation of the spatial resolution. Further, the new methodology proposed is a valuable asset to keep the ultimate spatial resolution obtained at high vacuum mode. This depend strongly on the new interaction volume (called the low-vacuum interaction volume) created by both scattered and unscattered fraction of the electron beam

La caractérisation et modélisation de « nanohorns » monofeuillets (SWNH) et de forêts de nanotubes par microscopie analytique sont présentées ainsi que leurs applications pour le traitement du cancer. Dans une première partie, nous introduirons les méthodes de microscopie et de spectroscopie utilisées dans nos expériences. Nous étudierons ensuite le processus de croissance de forêts de nanotubes de carbone monofeuillets (dans le contexte d’une collaboration avec l'AIST au Japon). Les SWNH, leur structure, propriétés de remplissage et de fonctionnarisation seront analysés et une nouvelle méthode sera présentée pour l'étude de la porosité de matériaux inorganique en EELS. Des calculs ab-initio seront aussi utilisés pour étudier l'effet des défauts dans les parois des SWNH sur les phénomènes d'oxydation et de remplissage des SWNH. Finalement, nous étudierons les possibles applications de SWNH dans le domaine pharmaceutique, et en particulier pour les traitements cancéreux
In this manuscript, we will expose the characterization and modelling of Single Wall Nanohorns (SWNH) and Nanotube Forests by analytical microscopy and the functionalization of SWNH for drug delivery applications. Firstly, we will introduce the microscopy and spectroscopy methods used for our experiments. We will then study the growth process of Single Wall Carbon Nanotubes (SWCNT) forests (within the framework of a collaboration with AIST, Japan). SWCH, their structure, modifications and filling properties will be analysed in details. An original method will be presented to study the porosity of inorganic material with EELS. Ab initio calculation will also be used to explore the effect of the defects present in the SWNH wall on the oxidation and filling process. We will study the potentialities of Single Wall Carbon nanohorns as Drug Delivery Systems and particularly as anticancer drug carriers

De nombreux oxydes de métaux de transition (TMOs) possèdent des propriétés physiques complexes (ferroélectricité, magnétisme, supraconductivité à haute Tc ou magnétorésistance colossale). Les différents degrés de liberté (le réseau, la charge, le spin ou l'ordre orbitalaire) interagissent pour donner des phases différentes, très proches en énergie, qui vont former une grande variété d'états fondamentaux accessibles. La possibilité de fabriquer des hétérostructures de TMOs a encore accru la complexité de ces systèmes, de nouveaux phénomènes apparaissant aux interfaces. Un exemple typique est le gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) créé à l'interface entre deux oxydes isolants, LaAlO3 et SrTiO3, qui montre une transition métal-isolant, du magnétisme ou de la supraconductivité (contrôlée par une tension de grille). Le point de départ de cette thèse a été la découverte d'un 2DEG similaire à la surface nue de SrTiO3 fracturée sous vide, rendant possible l'étude de sa structure électronique par photoémission angulaire.Dans cette thèse, l'étude de surfaces préparées, plutôt que de petites facettes fracturées, a permis l'obtention de données spectroscopiques possédant des largeurs de raie proches des valeurs intrinsèques. Il est alors possible d'étudier les effets à N corps comme la renormalisation de la self-énergie due à l'interaction électron-phonon.Ces recherches sur la structure électronique du 2DEG à la surface de SrTiO3 ont pris un tour nouveau lorsqu'une texture de spin complexe y a été mesurée par photoémission résolue en spin. Nous présentons des résultats qui contredisent ces conclusions et nous discutons des raisons pouvant expliquer ce désaccord.Une des motivations de cette thèse était de savoir si la structure électronique et les propriétés du 2DEG pouvaient être contrôlées. L'étude du 2DEG sur des surfaces (110) et (111) de SrTiO3 révèle que sa structure de bandes (ordre orbitalaire, symétrie de la surface de Fermi, masses effectives) peut être ajustée en confinant les électrons sur des surfaces de différentes orientations du même matériau.Un succès majeure est la mise en évidence de 2DEGs à la surface de nombreux autres TMOs (TiO2-anatase, CaTiO3, BaTiO3) ou d'oxydes plus simples utilisés dans les applications (ZnO). Dans tous ces oxydes, nous avons identifié les lacunes en oxygène comme étant à l'origine de la création des 2DEGs.Dans l'anatase, ou d'autres TMOs en configuration électronique initiale d0, les lacunes en oxygène produisent à la fois des électrons localisés ou itinérants (le 2DEG). Il peut être subtile de prévoir quel est le cas est le plus favorable énergétiquement comme le démontre l'étude de deux polymorphes de TiO2, anatase et rutile. Dans CaTiO3, l’octaèdre formé par les atomes d'oxygène autour du Ti est incliné. Cette rupture de symétrie provoque un mélange des orbitales d et modifie le 2DEG. Dans BaTiO3, la création d'un 2DEG entraîne la coexistence de deux phénomènes normalement incompatibles, la ferroélectricité et la métallicité, dans deux zones spatialement distinctes du même matériau. Ce travail démontre qu'un 2DEG existe aussi à la surface de ZnO qui est, contrairement aux oxydes à base de Ti, plutôt un semiconducteur conventionnel, le caractère des orbitales pour les électrons itinérants étant alors de type s et non de type d.Le principal résultat est la mise au point d'une méthode simple et versatile pour la création de 2DEGs en évaporant de l'aluminium sur des surfaces d'oxydes. Une réaction d'oxydo-réduction entre le métal et l'oxyde permet de créer un 2DEG à l'interface entre le métal oxydé et l'oxyde réduit. Dans cette thèse, les 2DEGs ont été étudiés uniquement par photoémission sous ultra-vide. Cette méthode ouvre la possibilité d'étudier ces 2DEGs dans des conditions de pression ambiante en utilisant, par exemple, des techniques de transport, un pas important vers la production de masse et à bas coûts de 2DEGs dans les oxydes pour de futures applications
Many transition metal oxides (TMOs) show complex physics, ranging from ferroelectricity to magnetism, high-Tc superconductivity and colossal magnetoresistance. The existence of a variety of ground states often occurs as different degrees of freedom (e.g. lattice, charge, spin, orbital) interact to form different competing phases which are quite similar in energy. The capability to epitaxially grow heterostructures of TMOs increased the complexity even more as new phenomena can emerge at the interface. One typical example is the two-dimensional electron system (2DES) at the interface of two insulating oxides, namely LaAlO3/SrTiO3, which shows metal-to-insulator transitions, magnetism or gate-tunable superconductivity. The origin of this thesis was the discovery of a similar 2DES at the bare surface of SrTiO3 fractured in vacuum, making it possible to study its electronic structure by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES).In this thesis, the study of well-prepared surfaces, instead of small fractured facets, results in spectroscopic data showing line widths approaching the intrinsic value. This approach allows a detailed analysis of many-body phenomena like the renormalization of the self-energy due to electron-phonon interaction.Additionally, the understanding of the electronic structure of the 2DES at the surface of SrTiO3(001) was given an additional turn by the surprising discovery of a complex spin texture measured by spin-ARPES. In this thesis data is presented which contradicts these conclusions and discusses possible reasons for the discrepancy.One major motivation of this thesis was the question if and how the electronic structure and the properties of the 2DES can be changed or controlled. In this context, the study of 2DESs at (110) and (111) surface revealed that the electronic band structure of the 2DES (orbital ordering, symmetry of the Fermi surface, effective masses) can be tuned by confining the electrons at different surface orientations of the same material, namely SrTiO3.A major achievement of this thesis is the generalization of the existence of a 2DES in SrTiO3 to many other surfaces and interfaces of TMOs (TiO2 anatase, CaTiO3, BaTiO3) and even simpler oxides already used in modern applications (ZnO). In all these oxides, we identify oxygen vacancies as the origin for the creation of the 2DESs.In anatase and other doped d0 TMOs, both localized and itinerant electrons (2DES) can exist due to oxygen vacancies. Which of the two cases is energetically favorable depends on subtle differences as demonstrated by studying two polymorphs of the same material (anatase and rutile).In CaTiO3, the oxygen octahedron around the Ti ion is slightly tilted. This symmetry breaking results in the mixing of different d-orbitals demonstrating again why and how the electronic structure of the 2DES can be altered.In BaTiO3, the creation of a 2DES results in the coexistence of the two, usually mutual exclusive, phenomena of ferroelectricity and metallicity in the same material by spatially separating the two.Moreover, this work demonstrates that the 2DES also exists in ZnO which is - compared to the Ti-based oxides - rather a conventional semiconductor as the orbital character of the itinerant electrons is of s and not d-type.The main result of this thesis is the demonstration of a simple and versatile technique for the creation of 2DESs by evaporating Al on oxide surfaces. A redox reaction between metal and oxide results in a 2DES at the interface of the oxidized metal and the reduced oxide. In this thesis the study of such interfacial 2DESs was limited to photoemission studies in ultra high vacuum. However, this technique opens up the possibility to study 2DESs in functional oxides in ambient conditions by e.g. transport techniques, and might be an important step towards cost-efficient mass production of 2DESs in oxides for future applications

Les micro-algues sont à l’origine de l’immense majorité des chaines trophiques océaniques et participent à presque la moitié de la photosynthèse sur Terre. Si leur diversité génétique est aujourd’hui bien connue, leur diversité fonctionnelle reste encore peu explorée. La voie principale de la photosynthèse, le flux linéaire d’électrons depuis l’eau vers le CO2 semble bien conservé dans la phylogénie. Il fait intervenir deux photosystèmes en série, les photosystèmes II (PSII) et I (PSI). Chez les plantes et les algues vertes, il existe un flux cyclique d’électrons qui ne fait intervenir que le PSI auquel on attribue plusieurs rôles cruciaux dans la régulation de la photosynthèse. L’étude de ce flux cyclique est freinée par l’absence de méthodologie robuste pour le mesurer. Nous avons montré que la méthode la plus utilisée pour estimer l’activité du PSI n’est pas fiable. Sur cette base, nous proposons une méthode alternative pour détecter la présence de ce flux cyclique et pour étudier sa dépendance envers le flux linéaire. Cela a permis de montrer des comportements très différents entre espèces de micro-algues. Enfin, l’étude d’une efflorescence de la coccolithophore Emiliania huxleyi en mésocosme nous a permis de mettre en évidence une signature de l’infection des cellules par un virus qui pourrait faire intervenir le flux cyclique autour du PSI
Microalgae supplies virtually all the oceanic trophic chains and participate in almost half of photosynthesis on Earth. Although their genetic diversity is well known, their functional diversity remains little explored. The main route of photosynthesis, the linear flux of electrons from water to CO2, seems to be well conserved among phylogeny. It involves two photosystems working in series, the photosystem II (PSII) and I (PSI). In plants and green algae, there is a cyclic electron flow that involves only the PSI which would be crucial for photosynthetic regulation. The study of this cyclic electron flow is hampered by the absence of robust method to measure it. We have shown that the most used method for estimating PSI activity is unreliable. On this basis, we propose an alternative method to detect the presence of cyclic electron flow and to study its dependence on the linear flux. We could show very different behaviors between species of microalgae. Finally, the study of an efflorescence of the coccolithophore Emiliania huxleyi in mesocosm allowed us to highlight a signature of the cells infection by a virus which could involve the cyclic electron flow around the PSI

Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux d’électrodes positives pour batteries au lithium. Nos recherches se sont principalement orientées vers les matériaux de type phosphates de métaux de transition, et notamment vers la famille des tavorites de composition (Li,H)FePO4(OH), qui présente une structure tridimensionnelle comportant plusieurs types de tunnels propices à l’insertion d’ions lithium. La structure du matériau LiFePO4(OH) a ainsi été parfaitement résolue, de même que celle du matériau FePO4.H2O, qui est un nouveau phosphate de fer (III) découvert au cours de ces travaux. Ces deux matériaux, ainsi que ceux obtenus par traitement thermique de la phase FePO4.H2O, ont été caractérisés à l’aide de différentes techniques d’analyse physico-chimiques. Leur comportement électrochimique vis-à-vis de l’intercalation / désintercalation du lithium a été étudié, ainsi que les mécanismes redox et structuraux associés mis en jeu
This work deals with the synthesis and characterization of new positive electrode materials for lithium batteries. Our researches were mainly focused on phosphates of transition metals, and especially on the tavorite-type materials of composition (H,Li)FePO4(OH). Their structure is characterized by a three-dimensional network with different types of tunnels, which can host inserted lithium ions. In this context, LiFePO4(OH) structure was perfectly solved, as well as that of FePO4.H2O, which is a new iron (III) phosphate discovered during this work. These two materials, together with those obtained by heat-treatment of FePO4.H2O, were characterized using different analytical techniques. Their electrochemical behavior toward intercalation / deintercalation of lithium was also studied, as well as the structural and redox processes involved

Lorsque la matière condensée est soumise à des rayonnements de haute énergie, des électrons secondaires de basse énergie (0-20 eV) sont produits en grande quantité. Ces électrons participent à part entière aux dommages induits dans la matière, incluant les processus d’érosion et de modifications chimiques. Les fragments produits au sein du milieu réagissent et de nouvelles espèces sont formées. Plusieurs domaines d’application sont concernés par ces processus, et plus particulièrement le design de dispositifs par lithographie ou par dépôts assistés par faisceaux focalisés et l’astrochimie. Les enjeux concernent l’identification des mécanismes induits par les électrons lents, le contrôle des fragments réactifs et espèces stables formés, ainsi que la détermination de grandeurs quantitatives permettant d’apprécier l’efficacité des processus impliqués. L’approche développée dans ce travail de thèse consiste à irradier des surfaces et interfaces directement avec des faisceaux d’électrons de basse énergie afin d’étudier les processus induits. Les réponses de films moléculaires supportés modèles (d’épaisseur variable) sont étudiées en fonction de l’énergie incidente des électrons et des doses délivrées. Dans les cas favorables, des méthodologies ont pu être proposées pour accéder à l’estimation de sections efficaces effectives. Pour ce faire, trois techniques expérimentales sont combinées. Les films déposés et les résidus formés sont analysés par spectroscopie de perte d'énergie d’électrons à haute résolution (HREELS) et désorption programmée en température (TPD). Les fragments neutres (et non pas ioniques comme le plus souvent) désorbant sous irradiation sont analysés en masse afin de mener une étude de désorption stimulée par impact d’électrons (ESD).Dans le contexte de la fonctionnalisation de surface, le greffage de centres carbonés hybridés sp2 sur un substrat de diamant poly-cristallin hydrogéné a été réalisé par irradiation électronique d’une couche mince de benzylamine. A 11 eV, le mécanisme dominant implique la dissociation en neutres du précurseur. La section efficace effective de greffage a pu être déterminée par HREELS suite à une unique irradiation, en tirant avantage du profil du faisceau d’irradiation. Dans le contexte de l’astrochimie, la réponse à l’irradiation par électrons lents de glaces d’ammoniac amorphes et cristallisées a été étudiée. La désorption de molécules d’ammoniac a été observée. Elle peut résulter de l’érosion directe du film et de mécanismes de désorption induite par excitation électronique (DIET). Différents processus de fragmentation/recombinaison ont été mis en évidence via la désorption des espèces neutres NHx (x = 1,2), H2 et N2. Une chimie particulièrement riche est induite par irradiation électronique à 13 eV. L’analyse temporelle des rendements ESD a permis la détermination de la section efficace de la désorption de NH3, et l’observation de la formation retardée de N2 et H2. L’analyse TPD des résidus a démontré la synthèse de diazène (N2H2) et d’hydrazine (N2H4) dans le film. Ces résultats peuvent aider à l’élucidation des écarts observés dans les abondances de NH3 et N2 dans les régions denses de l'espace. Enfin, les premiers travaux réalisés pour fonctionnaliser un substrat de façon résolue à l’échelle micrométrique sous irradiation d’électrons lents sont également présentés. La faisabilité de la procédure utilisant un microscope électronique à basse énergie (LEEM) a été démontré sur une monocouche de terphenylthiol (TPT). Des motifs de 5 μm de travaux de sortie différents ont été imprimés en travaillant à des énergies de 10-50 eV. Ensuite la réponse de films modèles de résines lithographiques (PMMA, polyméthacrylate de méthyle) à des irradiations électroniques a été étudiée, afin d’identifier les énergies favorables en vue d’une modification de surface résolue spatialement
High-energy irradiation of condensed matter leads to the production of copious amounts of low-energy (0-20 eV) secondary electrons. These electrons are known to trigger various dissociative processes leading to observed damages including erosion and chemical modifications. The resulting reactive species within the condensed media can also lead to the synthesis of new molecules. This has implications in several applications most especially in the design of lithographic methods, focused beam-assisted deposition, as well as in astrochemistry. In all these applications, it is important to identify the processes induced by low-energy electrons, study the reactive fragments and stable molecules produced to determine possibilities of controlling them, and generate quantitative data to gauge the efficiencies of these processes. The approach developed for this PhD work consists of directly irradiating surfaces and interfaces using low-energy electrons and studying the processes that arise. The responses of different model molecular films (of varying thickness) were studied as a function of incident electron energy and dose. In favorable cases, methodologies proposed herein can be used to estimate effective cross sections of observed processes. Three complementary surface-sensitive techniques were utilized for this purpose. To characterize the deposited films and formed residues, the High Resolution Electron-Energy Loss Spectroscopy (HREELS) and Temperature Programmed Desorption (TPD) were used. Neutral fragments (as opposed to their often-detected ionic counterparts) desorbing under electron irradiation were monitored using a mass spectrometer in a technique called Electron Stimulated Desorption (ESD).Within the context of surface functionalization, the grafting of sp2-hybridized carbon centers on a polycrystalline hydrogenated diamond substrate was realized through electron irradiation of a thin layer of benzylamine precursor deposited on its surface. At 11 eV, the dominant mechanism is proposed to be neutral dissociation of the precursor molecules. The effective cross section of the grafting process was estimated in only a single measurement from the HREELS map of the sample surface, taking advantage of the electron beam profile. Within the context of astrochemistry, on the other hand, the responses of crystalline and amorphous NH3 ices were studied under electron impact. The desorption of intact NH3 was observed which resulted in the direct erosion of the film proceeding through a mechanism consistent with desorption induced by electronic transitions (DIET). Different fragmentation and recombination processes were also observed as evidenced by detected neutral species like NHx (x=1,2), N2, and H2. Aside from desorption, a wealth of chemical processes was also observed at 13 eV. Temporal ESD at this energy allowed for the estimation of the effective cross section of NH3 desorption and observing the delayed desorption of N2 and H2. TPD analysis of the residues also provided evidence of N2H2 and N2H4 synthesis in the film. These results can help explain the observed discrepancies in abundances of NH3 and N2 in dense regions in space. Lastly, this PhD work will present prospects for these electron-induced processes to be constrained spatially in microscopic dimensions for lithographic applications. The feasibility of the procedure utilizing Low-Energy Electron Microscope (LEEM) was demonstrated on a terphenylthiol self-assembled monolayer (TPT SAM) specimen. Spots of 5 μm in diameter with different work functions were imprinted on the surface using energies from 10-50 eV. Electron-induced reactions in thin-film resists (PMMA, poly(methyl methacrylate)) were also studied at low-energy identifying opportunities for energy- and spatially-resolved surface modification

Dans ce travail de thèse, la microspectrométrie Raman a été mise à profit pour décrire les changements structuraux induits par la réaction électrochimique d'insertion/désinsertion des ions lithium dans des composés de structure lamellaire LiCoO2 et cubique LiMn2O4 et LiNi0.4Mn1.6O4, utilisés comme électrodes positives dans les batteries Li-ion. L'étude du composé d'électrode LiCoO2 pendant le processus de charge permet de mettre en évidence une région biphasée où la phase initiale coexiste avec une nouvelle phase hexagonale caractérisée par une expansion du paramètre inter-feuillets de l'ordre de 3% et un affaiblissement de la liaison Co-O dans le plan des feuillets. Dans le cas de LiMn2O4, une nouvelle attribution du spectre Raman a pu être proposée. Pendant la charge à 4V, un mécanisme à trois phases (phase initiale LiMn2O4, phase intermédiaire, phase pauvre en lithium) est décrit par spectroscopie Raman alors que la diffraction des RX ne permet pas d'observer la phase intermédiaire dans nos conditions de mesure. L'étude de l'insertion électrochimique du lithium dans LiMn2O4 (région 3V), a permis de montrer pour la première fois par spectroscopie Raman la formation progressive d'une phase tétragonale de composition Li2Mn2O4 qui coexiste avec la phase cubique initiale et qui est pure en fin de décharge. La réversibilité de cette transition structurale a également été démontrée. Dans le cas du composé substitué au nickel, LiNi0.4Mn1.6O4, une attribution complète du spectre Raman est proposée pour la première fois. L'étude par diffraction des RX du matériau en fonction de l'état de charge et de décharge met en évidence une conservation de la structure cubique avec des variations modérées de paramètres de maille. Le spectre Raman présente quant à lui des variations très significatives qui rendent compte de la présence dans des proportions différentes des espèces redox impliquées dans le fonctionnement électrochimique (Mn4+, Mn3+, Ni2+, Ni3+, Ni4+). Une analyse spectrale par décompositions de bandes permet d'identifier et de quantifier les proportions relatives des différents couples redox du nickel. Une réversibilité complète de la signature Raman est observée en décharge. Une application concrète et originale de la spectroscopie Raman a consisté à étudier le mécanisme d'autodécharge qui est observé pour le matériau LiNi0.4Mn1.6O4 complètement chargé. L'évolution des spectres Raman permet de mettre en évidence une réduction rapide et quantitative des ions Ni4+ pendant les premières heures de séjour dans l'électrolyte, puis un processus plus lent de réduction des ions Ni3+. Enfin, pour la première fois également, l'insertion du lithium dans le composé LiNi0.4Mn1.6O4 a été explorée par microspectrométrie Raman et a permis notamment d'identifier l'empreinte Raman de la phase la plus réduite de symétrie tétragonale Li2Ni0.4Mn1.6O4. L'originalité de ce travail a été d'apporter un grand nombre de données Raman expérimentales sur des matériaux d'électrode performants fonctionnant à 4V. De nouvelles attributions ont pu être proposées pour les composés initiaux, et des données vibrationnelles inédites ont été fournies sur les composés formés en charge et en décharge. Dans certains cas, ces données ont permis, sur la base d'une analyse détaillée des spectres Raman par décompositions de bandes, de proposer un raisonnement quantitatif sur l'existence de phases ou d'espèces redox en mélange. Il conviendrait bien sûr de corroborer ces nouvelles données et attributions par des calculs théoriques ab initio capables de simuler les fréquences et les intensités des modes vibrationnels dans les structures hôtes et lithiées
In this work, we show the relevance of Raman spectroscopy as a useful technique to investigate the local changes induced by the electrochemical reaction of intercalation/deintercalation of lithium in positive electrode materials for rechargeable lithium ion batteries.Raman investigations concern three types of high voltage cathode materials (4-5Volts) which are layered LiCoO2 and cubic LiMn2O4 and LiNi0.4Mn1.6O4.During electrochemical deintercalation of LiCoO2, we show the existence of a two phase region where the initial hexagonal phase coexist with a second hexagonal phase with a 3% expansion of the lattice parameter indicating a weakening of the Co-O bond in the Li1-xCoO2 material.On the other hand, a new assignment of LiMn2O4 Raman spectrum was proposed. During the charge in the 4V region, a three region phase (initial LiMn2O4 phase, intermediary phase and poor lithium phase) was described using Raman spectroscopy. RX measurements can not detect this intermediary phase. Lithiated phase Raman signature shows a specific local order: Fd3m for extreme phases and F43m for partially lithiated phase. A rich Raman band spectrum is attributed to this later phase in coherence with literature calculations. Structural changes reversibility is demonstrated. Identification of this intermediary phase as a major component of a cycled electrode, underline the incomplete reduction and explain the important loss of capacity observed during cycling. Raman study of LiMn2O4 electrochemical insertion in the 3V region, has demonstrated for the first time a progressive formation of tetragonal Li2Mn2O4 phase, which is in coexistence with initial cubic phase and is pure at the end of discharge. Structural transition reversibility was also demonstrated.In the case of LiNi0.4Mn1.6O4, the assignment of the Raman spectrum of LiNi0.4Mn1.6O4 is provided for the first time. DRX study in function of the state of charge and discharge, exhibit cubic structure conservation with moderate lattice parameters variations. The Raman spectrum of the spinel oxide exhibits drastic spectral changes during Li extraction. These changes have been directly related to the Mn and Ni oxidation states in the cathode material under operation. It comes out that electrochemical reactions of LiNi0.4Mn1.6O4 are reversible and based on three redox couples of Mn3+/Mn4+, Ni2+/Ni3+, and Ni3+/Ni4+. An original and concrete Raman spectroscopy application is the study of self discharge mechanism of completely charged LiNi0.4Mn1.6O4. Raman spectra evolution exhibits a quantitative Ni4+ reduction during the first hours, and then a slower Ni3+ reduction process. Finally, LiNi0.4Mn1.6O4 lithium insertion has been explored for the first time using Raman spectroscopy, and a tetragonal Li2Ni0.4Mn1.6O4 phase has been identified.The originality of this work is the important number of experimental Raman data of 4V electrode materials. New assignment of initial compound has been proposed and original vibrationnal data of compound during charge/discharge has been presented. These Raman data has permitted to propose a quantitative explanation which must be completed with ab initio calculations to simulate vibrationnal modes frequencies/ intensities

Surface Plasmons (SP) are elementary excitations mixing electrons and photons at metal surfaces,which can be seen in a classical electrodynamics framework as electromagnetic surface eigenmodesof a metal-dielectric system. The present work bases on the ability of mapping SP eigenmodes withnanometric spatial resolution over a broad spectral range using spatially resolved fast electron basedspectroscopies in a Scanning Transmission Electron Microscope (STEM). Such an ability has beenseparately demonstrated during the last few years by many spatially resolved experiments of ElectronEnergy Loss Spectroscopy (EELS), which measures the energy lost by fast electrons interactingwith the sample, and CathodoLuminescence (CL), which measures the energy released by subsequentlyemitted photons. In the case of EELS, the experimental results are today well accountedfor by strong theory elements which tend to show that the quantity measured in an experiment canbe safely interpreted in terms of the surface eigenmodes of the sample. In order to broaden thisinterpretation to fast electron based spectroscopies in general, I have performed combined spatiallyresolved EELS and CL experiments on a simple single nanoparticle (a gold nanoprism). I have shownthat EELS and CL results bear strong similarities but also slight differences, which is confirmed bynumerical simulations. I have extended the theoretical analysis of EELS to CL to show that CLmaps equally well than EELS the radiative surface eigenmodes, yet with slightly different spectralfeatures. This work is a proof of principle clarifiying the quantities measured in EELS and CL,which are shown to be respectively some nanometric equivalent of extinction and scattering spectroscopieswhen applied to metal-dielectric systems. Based on this interpretation, I have applied EELSto reveal the SP eigenmodes of random metallic media (in our case, semicontinuous metal films beforethe percolation threshold). These SP eigenmodes constitute a long standing issue in nanooptics.I have directly identified the eigenmodes from measurements and data processing. I havefully characterized these eigenmodes experimentally through an electric field intensity pattern, aneigenenergy and a relaxation rate. Doing so, I have shown that the fractal geometry of the medium,which grows towards the percolation, induces random-like eigenmodes in the system at low energies.Keywords: Surface plasmons, fast electron based spectroscopies, scanning transmission electronmicroscopy, disordered media

L'etude des voies d'acces des ligands, au site de fixation des hemoproteines, a ete entreprise par comparaison de la myoglobine de cheval avec la myoglobine de cachalot. Le role clef de certains acides amines a pu etre evalue grace aux etudes par spectroscopie visible et rmn #1h. Ainsi, une plus grande mobilite de l'histidine e#7 associee a la substitution de l'arginine cd#3 par la lysine cd#3 chez la myoglobine de cheval facilite la complexation des ligands. La trimethylphosphine en se complexant sur les deux etats redox a permis de mettre en evidence un transfert d'electron entre les deux etats de la myoglobine. La vitesse de self-echange d'electron entre la forme reduite et la forme oxydee de la myoglobine est analysee par rmn #1h. Cette vitesse de transfert est inferieure pour les myoglobines lorsqu'elle est comparee a celle des cytochromes. L'energie de reorganisation, calculee selon la theorie de marcus est de 1,6 ev pour la myoglobine. Cette valeur superieure a celle des cytochromes est reliee a des modifications structurales du site de transfert electronique plus importantes. Le mecanisme de transfert d'electron, mettant en jeu le tetramere d'hemoglobine est etudie. Le mecanisme de ce transfert d'electron est d'ordre intermoleculaire. Il peut alors proceder selon deux sous-mecanismes: un mecanisme intrachaine ou intermoleculaire interchaine

La connaissance des propriétés électromagnétiques des cellules peut fournir des signaux précoces de maladie ou de conditions anormales dans le corps humain pour des applications médicales. Combinée à des dispositifs microfluidiques, la spectroscopie d'impédance peut constituer un outil puissant pour le tri, l'analyse, le comptage et la discrimination de cellules. L’objectif principal de cette thèse est la caractérisation de cellules biologiques isolées par spectroscopie d’impédance. La conception et le développement d’un biocapteur à matrice d’électrodes coplanaires sont le second objectif de ce travail, l’idée étant in fine de pouvoir effectuer des mesures simultanées sur plusieurs cellules unitaires. La structure en forme de matrice d’électrodes permet d’augmenter le nombre de cellules mesurées lorsque le nombre d’électrodes augmente. Cependant, les pistes de connexion des électrodes peuvent réduire la variation d’impédance normalisée et ainsi augmenter la difficulté de mesurer les cellules entre les électrodes. Pour analyser les effets des pistes de connexion, proposer des améliorations et observer la faisabilité, nous avons d’abord utilisé une matrice simple 2x2. Avec cette structure, nous analysons de façon analytique, par simulation et par mesures expérimentales l’influence des pistes de connexion sur la bande de fréquence et sur la variation d’impédance normalisée. Pour réduire les effets de pistes de connexion, nous avons réduit leurs dimensions et nous avons montré l’avantage d’utiliser une couche d’isolant sur les pistes de connexion
Knowledge of the electromagnetic properties of cells can provide early signals of disease or abnormal conditions in the human body for medical applications. In combination with microfluidic devices, impedance spectroscopy can be a powerful tool for sorting, analyzing, counting and discriminating cells. The main objective of this thesis is the characterization of isolated biological cells by measurement of unit-scale impedance spectroscopy and thus to be able to characterize them, in this thesis project we have done. The design and development of a coplanar electrode matrix biosensor are the second objective of this work, the idea being ultimately to be able to perform simultaneous measurements on several unit cells. The electrode matrix-shaped structure makes it possible to increase the number of cells measured as the number of electrodes increases. However, the electrode lead tracks can reduce the normalized impedance variation and thereby increase the difficulty in measuring cells between the electrodes. To analyze the effects of the connection tracks, propose improvements and observe the feasibility, we first used a simple 2x2 matrix. With this structure, we analyze analytically, by simulations and by experimental measurements, the influence of the connection tracks on the frequency band and on the standardized impedance variation. To reduce the effects of connection tracks, we have reduced their dimensions as well and we have used shown the advantage of using an insulator layer on the connection tracks

L’objectif de ce travail a été de mettre en place un système original capable de produire et stocker l’énergie à partir de la lumière dans un dispositif unique. Pour ce faire, nous avons choisi d’adapter l’électrode photo-sensible d’une DSSC sur un système d’accumulateur électrochimique. La première partie de ce travail a été de mettre en place la technique de spectroscopie EIS-λ, basée sur la spectroscopie d’impédance électrochimique couplée à un balayage en longueur d’onde de la lumière incidente. L’objectif de cette mesure est d’identifier et de quantifier les différents mécanismes de transfert électroniques, photo-dépendant ou non, ayant lieu à la surface de l’électrode photo-sensible, ainsi que les processus de désactivation des états excités des sensibilisateurs. Nous nous sommes ensuite penchés sur la recherche des conditions optimales d’utilisation de deux coadsorbants — l’acide bismethoxyphenyl phosphinique ou BMPP et l’acide chenodesoxycholique ou CDCA — avec le sensibilisateur de référence N719. Nous avons également quantifié leurs activités shield et anti-π-stacking grâce à la technique EIS-λ. Nous avons ainsi réalisé une DSSC présentant un rendement de photo-conversion de 8,3% en utilisant le co-adsorbant BMPP dans un ratio [co-ads]/[S] = 1, contre 7,2% dans les conditions de référence — avec le coadsorbant CDCA utilisé dans un ratio [co-ads]/[S] = 10. Par la suite, nous avons imaginé et synthétisé trois complexes de ruthénium hydrophiles originaux dont nous avons testé le pouvoir de photo-conversion dans des DSSC à électrolyte 100% aqueux, en présence des co-adsorbants sélectionnés. Ces systèmes ont permis de dépasser le pouvoir de photo-conversion du sensibilisateur N719, dans l’eau, avec un rendement maximal obtenu de 1,31%. Enfin, nous avons sélectionné la meilleure combinaison sensibilisateur / co-adsorbant afin de réaliser une électrode photo-sensible que nous avons implémentée dans un système original d’accumulateur électrochimique à base d’électrolytes aqueux. Le système ainsi mis en place constitue aujourd’hui le premier dispositif fonctionnel d’accumulateur 100% aqueux photo-rechargeable à partir d’une électrode mésoporeuse photo-sensibilisée
The aim of this work was to imagine and to develop a new system able to produce and store energy from sunlight in a single device. For this purpose, the photo-sensitive electrode of a DSSC has been adapted to an electrochemical accumulator. The first part of this work was to develop a new spectroscopic technique, called EIS-λ and based on electrochemical impedance spectroscopy combined to incident light wavelength sweep. This technique has proved its capacity to identify and quantify the different mechanisms of electron transfer over the surface of the semiconducting material and their dependency to incident wavelength, together with the various deactivation processes of the excited state of the sensitizer. Then, we investigated the best conditions to use two different co-adsorbents — namely bis-methoxyphenylphosphinic acid, or BMPP, and chenodesoxycholic acid, or CDCA — with the reference sensitizer N719. The shield and anti-π-stacking activities of the two coadsorbents has been characterized using EIS-λ technique. DSSC with a photo-conversion yield of 8,3% has been prepared in the lab using BMPP in a ratio [co-ads]/[S] = 1 while reference conditions – namely with CDCA in a ratio [co-ads]/[S] = 10 — only gave 7,2%. Besides, we have designed and synthesized three original hydrophilic ruthenium complexes, then tested their photo-conversion properties in DSSC with 100% aqueous electrolytes. Such systems, with the selected co-adsorbents, allowed 1,31% photo-conversion yield to be obtained, which is two times larger than the efficiency exhibited by N719 in the same electrolyte conditions. Finally the best combination sensitizer / co-adsorbent has been selected to achieve a photo-sensitive electrode which has been implemented in an original electrochemical accumulator with aqueous electrolytes. This system represents the first functional device of a 100% aqueous accumulator, which is photo-reloadable with a photosensitized mesoporous electrode

Cette thèse présente une étude expérimentale des propriétés électroniques de deux matériaux topologiques, notamment l’isolant topologique tridimensionnel irradié Bi₂Te₃ et le super-réseau topologique naturel Sb₂Te. Les deux systèmes ont été étudiés par des techniques basées sur la spectroscopie de photoémission. Les composés Bi₂Te₃ ont été irradiés par des faisceaux d’électrons de haute énergie. L’irradiation avec des faisceaux d’électrons est une approche très prometteuse pour réaliser des matériaux qui sont vraiment isolants dans le volume, afin de mettre en évidence le transport quantique dans les états de surface protégés. En étudiant une série d’échantillons de Bi₂Te₃ par la technique de spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle (trARPES), nous montrons que les propriétés topologiques des états de surface de Dirac sont conservées après irradiation électronique, mais leurs dynamiques ultra-rapides de relaxation sont très sensibles aux modifications reliées aux propriétés du volume. De plus, nous avons étudié la structure électronique des bandes occupées et inoccupées du Sb₂Te. En utilisant la microscopie de photoémission d’électrons à balayage (SPEM), nous avons constamment trouvé diverses régions non équivalentes sur la même surface après avoir clivé plusieurs monocristaux de Sb₂Te. Nous avons pu identifier trois terminaisons distinctes caractérisées par différents rapports stœchiométriques de surface Sb/Te et possédant des différences claires dans leurs structures de bandes. Pour la terminaison dominante riche en tellure, nous avons également fourni une observation directe des états électroniques excités et de leurs dynamiques de relaxation en ayant recours à la technique trARPES. Nos résultats indiquent clairement que la structure électronique de surface est fortement affectée par les propriétés du volume du super-réseau. Par conséquent, pour les deux systèmes, nous montrons que la structure électronique de surface est absolument connectée aux propriétés du volume
This thesis presents an experimental study of the electronic properties of two topological materials, namely, the irradiated three-dimensional topological insulator Bi₂Te₃ and the natural topological superlattice phase Sb₂Te. Both systems were investigated by techniques based on photoemission spectroscopy. The Bi₂Te₃ compounds have been irradiated by high-energy electron beams. Irradiation with electron beams is a very promising approach to realize materials that are really insulating in the bulk, in order to emphasize the quantum transport in the protected surface states. By studying a series of samples of Bi₂Te₃ using time- and angle-resolved photoemission spectroscopy (trARPES) we show that, while the topological properties of the Dirac surface states are preserved after electron irradiation, their ultrafast relaxation dynamics are very sensitive to the related modifications of the bulk properties. Furthermore, we have studied the occupied and unoccupied electronic band structure of Sb₂Te. Using scanning photoemission microscopy (SPEM), we have consistently found various nonequivalent regions on the same surface after cleaving several Sb₂Te single crystals. We were able to identify three distinct terminations characterized by different Sb/Te surface stoichiometric ratios and with clear differences in their band structure. For the dominating Te-rich termination, we also provided a direct observation of the excited electronic states and of their relaxation dynamics by means of trARPES. Our results clearly indicate that the surface electronic structure is strongly affected by the bulk properties of the superlattice. Therefore, for both systems, we show that the surface electronic structure is absolutely connected to the bulk properties

Le procédé de fabrication additive par fusion sur lit de poudre par faisceau d’électrons (E-PBF) permet la réalisation de pièces métalliques par fusion sélective de couches successives. Il peut cependant générer des défauts dans les pièces fabriquées. Afin d’améliorer la fiabilité de ce procédé, le besoin de contrôles in situ (pendant la fabrication) est devenu une exigence forte. L’objectif de ce travail est de mettre en place des stratégies de suivi in situ de la fabrication additive E-PBF. L’outil sélectionné est une caméra proche infrarouge (NIR) permettant d’obtenir des images des pièces en cours de fabrication. Un dispositif expérimental permettant de réaliser les acquisitions à l’aide d’une caméra proche infrarouge de façon automatisée a été mis en place en prenant en compte l’environnement contraignant (haute température, vide, dépôt de métal sur les parois). Deux stratégies de contrôle sont proposées. La première vise à prendre une image de chaque couche fabriquée, en l’occurrence à l’issue de l’étape de fusion. Des routines d’analyse d’images ont été développées et permettent d’identifier et de localiser les défauts (distorsions géométriques, porosités) à partir de leur signature thermique sur les images NIR. Une méthode de contrôle non destructif (tomographie aux rayons X) permet de valider la détection des défauts internes. La seconde stratégie de caractérisation consiste à réaliser l’acquisition d’images en continu afin d’analyser l’évolution temporelle des niveaux de gris, cette dernière apportant des informations reliées aux changements de température. Une méthodologie permettant de détecter, voire d’anticiper certains défauts liés à l’apport d’énergie délivrée par le faisceau d’électrons est proposée. Les deux stratégies de caractérisation doivent permettre de repérer les défauts au plus vite afin de mettre en place une action corrective dans la cadre d’un futur contrôle du procédé par une boucle fermée
Electron beam Powder Bed Fusion (E-PBF) is an additive manufacturing process that allows metallic parts to be built by selectively melting successive layers of powder. However, this process can generate defects in the fabricated parts. To improve the reliability of this process, there is a need to develop in-situ monitoring imaging techniques. The main objective of this work is to set up strategies to characterize in-situ the E-PBF process. The selected tool is a near-infrared (NIR) camera employed to obtain images of the parts being manufactured. The first part of the work has been dedicated to setting up an experimental device allowing to acquire near-infrared images in an automated way and by taking into account the constrained environment of E-PBF (high temperature, vacuum, metal deposit on the walls). Two strategies of in-situ monitoring of E-PBF are suggested. The first one aims at taking one image per layer, just after the melting stage. Image analysis routines were developed and allow to identify and determine the spatial distribution of the defects (geometrical distortions, porosity) from their thermal signatures on the NIR-images. The detection of internal defects is validated with a non-destructive characterization (X-rays computed tomography). The second strategy consists of carrying out continuous image acquisition to analyze the temporal evolution of the grey level which is directly related to temperature changes. A methodology allowing to detect, even to anticipate given defects related to the energy delivered by the electron beam has been proposed. Those two approaches should allow the defects to be identified as quickly as possible to apply a correction within the framework of future closed-loop process control

Les accumulateurs au lithium jouent un rôle important comme source d'alimentation pour les appareils électroniques portables en raison de leur forte capacité gravimétrique et volumétrique et leur haute tension. En outre, la technologie lithium-ion est la mieux placée pour une application à grande échelle, telle que le véhicule électrique, ce qui pose un problème de ressource et à terme, de coût. Une des réponses envisagées sur le plan économique et environnemental est le développement d’accumulateurs sodium-ion. Dans tous les cas, le problème scientifique consiste à proposer des matériaux d’insertion des ions sodium avec un caractère réversible de la réaction électrochimique, et une durée de vie compétitive par rapport aux systèmes au lithium. Le travail présenté se situe dans cet effort de recherche. Les potentialités de matériaux dérivés du pentoxyde de vanadium, de structure 2D, sont étudiées comme composés d’intercalation du sodium: le composé de référence V2O5, le bronze performant dérivé de V2O5 de formule K0,5V2O5, ε’-V2O5, ainsi que le composé au manganèse de type lamellaire : la birnessite sol-gel et sa forme dopée au cobalt. Les relations structure-électrochimie sont élucidées à travers une étude combinant propriétés électrochimiques, diffraction des Rayons X et spectroscopie Raman des matériaux à différents taux d’insertion, en fin de réaction et après cyclages galvanostatiques. De nouvelles phases sont obtenues et des capacités spécifiques comprises entre 100 et 160 mAh/g dans le domaine de potentiel 4V-1V peuvent être obtenues avec parfois une stabilité remarquable comme dans le cas de NaV2O5 et ε’-V2O5
Since commercialization, Li-ion batteries have been playing an important role as power source for portable electronic devices because of high gravimetric, volumetric capacity and high voltage. Furthermore, the lithium-ion technology is best suited for large-scale application, such as electric vehicles, which poses a resource problem and ultimately cost. On the contrary, sodium is a most abundant element, inexpensive and similarly properties as lithium. In order to solve the problem of lithium raw resource, sodium is proposed as a solution for next generation power source storage. This work investigates the potential derivative vanadium pentoxide materials as sodium intercalation compounds: the V2O5 reference compound, the promizing potassium bronze K0,5V2O5, ε'-V2O5, as well as a lamellar manganese oxide: the sol-gel birnessite and its doped cobalt form. The structure-electrochemistry relationships are clarified through a study combining electrochemical properties, X-ray diffraction and Raman spectroscopy of materials at different insertion rate, end of the reaction and after galvanostatic cycling. New phases are highlighted and specific capacities between 100 and 160 mAh / g in the field of 4V-1V potential can be obtained with sometimes remarkably stable as in the case of NaV2O5 and ε'-V2O5

Les principales évolutions requises pour répondre aux besoins de la microélectronique visent à intégrer une micro-source d’énergie susceptible de fonctionner à plus bas potentiel que les systèmes actuels. Ainsi, en vue de répondre à cette demande, ce travail de recherche s’est focalisé sur l’étude, principalement par spectroscopie photoélectronique à rayonnement X (XPS), de deux matériaux d’électrode positive fonctionnant à 3 V vs Li+/Li : le spinelle LiMn2O4 et le Nasicon Fe2(MoO4)3. Le bismuth, matériau potentiel d’électrode négative susceptible de remplacer le lithium métallique et de subir le procédé de soudure classiquement utilisé en microélectronique (le solder reflow), est également étudié dans le cadre de cette thèse. Avant de caractériser ces matériaux en systèmes tout-solide, la première étape consiste à en étudier les comportements électrochimiques en électrolytes liquides. A cet effet, des couches minces d’une épaisseur d’environ 500 nm sont préparées par pulvérisation cathodique après une étape d’optimisation des paramètres de dépôt (puissance, pression partielle et totale dans l’enceinte de dépôt, température de recuit, …), puis caractérisées sur les plans structural (DRX), morphologique (SEM) et chimique (XPS, RBS, ICP). L’analyse des échantillons par XPS en fin de décharge et de charge a permis de mieux comprendre et d’expliquer les réactions électrochimiques se produisant au sein des matériaux et aux interfaces électrode/électrolyte dans les batteries au lithium. Une étude comparative avec un cyclage face au sodium a également été menée dans le cas du molybdate de fer et du bismuth, ce qui a permis d’identifier des comportements spécifiques lors de l’insertion/désinsertion des deux alcalins. L’homogénéité de la lithiation/sodation des couches minces a également été étudiée à partir de différentes analyses XPS menées après un procédé de décapage permettant de s’affranchir de la couche de passivation formée à l’interface électrode/électrolyte.Cette étude contribue à une meilleure connaissance des matériaux d’électrodes en cyclage pour micro-batteries au lithium et présente des perspectives très intéressantes d’intégration dans des dispositifs « tout solide »
The main evolutions required for microelectronic applications aim to integrate an energy microsource operating at lower potential than current systems. Thus, in order to meet this demand, this research work has been focused on the study, mainly by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), of two positive electrode materials operating at 3 V vs Li+/Li: the spinel-type material LiMn2O4 and the Nasicon-type one Fe2(MoO4)3. The bismuth, a potential negative electrode material likely to replace the metallic lithium and to undergo the soldering process conventionally used in microelectronics (the solder reflow), has also been studied in this work. Before studying these materials in all-solid-state systems, the first step consists in investigating their electrochemical behaviors in liquid electrolytes. For this purpose, 500 nm-thick thin films are prepared by magnetron sputtering after a step of deposition parameters optimization (power, partial and total pressures in the sputtering chamber, annealing temperature, etc.). Physicochemical proprieties of the deposited thin films are then investigated by XRD, SEM, XPS, RBS and ICP analyses. The analyses of the electrodes by XPS at the end of discharge and charge has allowed better understanding of the electrochemical reactions occurring within the electrode materials and at the electrode/electrolyte interfaces in lithium cells. A comparative study with cycling against sodium has also been carried out in the case of iron molybdate and bismuth materials. This has allowed identifying specific behaviors of the thin films during the insertion/extraction of the two alkalis. The homogeneity of the thin films lithiation/sodiation has also been studied from various XPS analyses realized after etching process which allows eliminating the passivation layer formed at the electrode/electrolyte interface.This study contributes to a better knowledge of three potential electrode materials candidates for lithium micro-batteries and presents very interesting perspectives of materials integration in all solid state systems

Dans ce travail nous démontrons, au travers de deux études, l'intérêt fondamental du couplage des techniques de photoémission résolue en angle (ARPES) et de spectroscopie tunnel (STS) dans l'analyse des propriétés électroniques d'interfaces nanostructurées. Dans la première partie, nous présentons une méthodologie permettant de déduire le potentiel de surface induit par la reconstruction triangulaire d'une monocouche d'Ag/Cu(111). Cette méthode est basée sur la mesure des gaps caractérisant la structure de bande de l'état de Shockley du système aux points de haute symétrie de la zone de Brillouin. L'évaporation d'adatomes de potassium permet d'augmenter le nombre de gaps accessibles en photoémission en décalant les bandes vers les états occupés. Dans un modèle d'électrons presque libres, leur amplitude nous donne accès aux premières composantes de Fourier du potentiel. La reconstruction de ce dernier dans l'espace direct nous permet ensuite de calculer la densité d'états locale que nous comparons aux mesures de conductance STS. La seconde partie est consacrée à l'étude de la croissance et des propriétés électroniques des molécules de 1,4-dibromobenzène (DBB) et 1,4-diiodobenzène (DIB) évaporées sur Cu(110). Leur dépôt à température ambiante sur la surface entraîne la déshalogénation des molécules et la formation de phases organométalliques. A 200°C, le système polymérise pour former des chaînes unidimensionnelles de poly(p-phénylène) parfaitement alignées. Les mesures ARPES révèlent l'existence d'une bande pi unidimensionnelle d'états HOMOs dispersant sous le niveau de Fermi. En STS, nous observons également, pour des petites chaînes, le confinement des états LUMOs dans la partie inoccupée du spectre. Le déconfinement de ces états pour les grandes chaînes conduit à la formation d'une bande continue croisant le niveau de Fermi, conférant au polymère un caractère métallique 1D. Le gap HOMO-LUMO est alors mesuré à 1.15 eV
In this work, through two different studies, we demonstrate the fundamental interest in the coupling of angle resolved photoemission (ARPES) and scanning tunneling spectroscopy (STS) to investigate the electronic properties of nanostructured interfaces. In the first part we present a methodology to determine the surface potential of the triangular reconstructed one monolayer of Ag/Cu(111) interface from ARPES. This method is based on the measurement of the Shockley state band structure’s gaps at the high symmetry points of the Brillouin zone. Deposition of potassium adatoms allows us to shift the surface state towards higher binding energies in order to increase the number of accessible gaps in photoemission. From the magnitude of these gaps we deduce the two first Fourier components of the potential felt by electrons using the nearly free electron model. Then we reconstruct it and calculate the local density of states in order to compare it with the conductance maps probed by STS. In the second part we report the study of the growth and the electronic properties of the two molecules 1,4-dibromobenzene (DBB) and 1,4-diiodobenzene (DIB) evaporated on Cu(110). For room temperature deposition, we first observe their deshalogenation and the formation of an intermediate organometallic phase. Then, above 200°C, the system polymerizes into a long-range ordered array of one dimensional poly(p-phenylene) polymer. ARPES intensity maps allowed us to identify a one dimensional graphene-like strongly dispersive pi-band below the Fermi energy. By STS we also observed LUMOs confined states for small chains over the Fermi level. The loss of confinement for long chains induces the formation of a continuous dispersive band which crosses the Fermi energy, conferring a 1D metallic character to the polymer. The HOMO-LUMO gap is found to be 1.15 eV

The work carried out during this thesis focuses on the quantum dynamics of the diffusion of hydrogen atoms on a surface of palladium (111). The study of the 3D system allowed us to detail the infrared spectrum of H/Pd (111), showing the existence of different adsorption sites on which localized states exist that are strongly coupled (Fermi resonance). This phenomenon governs the diffusion of hydrogen atoms in an ultra-fast time scale (fs).The study of the (6D) H2/Pd(111) system has shown that the transitions observed are in fact transition bands between several quasi-degenerate adsorption states. The agreement between the calculated and measured values is significantly less good than that between the data calculated for the 3D system and the measured data. Does adsorbed hydrogen on palladium exist in the form of a weakly bound H2 molecule? This thesis has provided some answers to this question, which remains open, hovewer, to some extent.

L’étude de la photoactivité de deux nouvelles flavoprotéines (OtPCF1 et OtCPF2) de l’algue verte Ostreococcus tauri, appartenant à la famille des cryptochromes et photolyases (CPF), a mis en évidence un transfert d’électron ultrarapide (OtCPF1 : 390 fs ; OtCPF2 : 590 fs) après excitation du chromophore flavine adénine dinucléotide (FAD) oxydée. Nous avons caractérisé un tryptophane comme donneur d’électron. Nous expliquons les étapes ultérieures par des transferts d’électron le long d’une chaîne de trois tryptophanes. Nous avons aussi analysé le transfert d’énergie au sein de OtCPF2. Des analyses par modélisation par homologie nous ont permis de rationaliser les résultats de spectroscopie transitoire ultrarapide. Le photocycle ultrarapide de OBIP - photorécepteur supposé du protozoaire cilié Blepharisma japonicum - a été expliqué par un modèle original impliquant un équilibre entre un état localement excité du chromophore (Oxyblépharismine) en interaction par liaison hydrogène avec un résidu proche et un état à transfert de charge intermoléculaire. Nous avons proposé que l’état signalant de la photophobie serait la forme déprotonée du chromophore.

Les accumulateurs au lithium, largement développés pour l’électronique portable, sont aujourd’hui envisagés pour des applications en véhicules hybrides et électriques. Les limitations actuelles sont leur faible capacité et leur durée de vie limitée provenant entre autres de la nonmaitrise de l’interface électrode positive / électrolyte. La présente étude porte sur la caractérisation et le contrôle des processus interfaciaux relatifs aux matériaux LiNi0. 5Mn0. 5O2, Li1. 2Ni0. 4Mn0. 4O2 et LiFePO4 d’électrode positive lors du stockage et du cyclage électrochimique. La thèse s'est concentrée sur la formation et l’évolution de l'interphase formée par décomposition de l’électrolyte, en fonction de l’état de surface du matériau actif. Différents types de modifications ont été envisagés, tels qu’une modification intrinsèque par vieillissement à l’air ou par favorisation d’une orientation cristalline particulière dans le cas de l’olivine LiFePO4, ou encore par la surlithiation de l’oxyde lamellaire LiNi0. 5Mn0. 5O2, sous la forme Li[Li0. 2Ni0. 4Mn0. 4]O2. D’autres types de modifications, considérées comme artificielles ou externes, reposent sur l’usage d’additifs dans l’électrolyte ou d’un dépôt hétérochimique en surface de Li1. 2Ni0. 4Mn0. 4O2. Dans chaque cas, les espèces visibles à la surface des matériaux au cours du stockage et du cyclage sont corrélées aux performances électrochimiques des électrodes positives. L’originalité du travail repose sur le développement d’outils spectroscopiques tels que la RMN MAS (7Li, 19F et 31P) et l'EELS, parallèlement à l’XPS, pour quantifier les interphases de manière absolue et en décrire l’architecture
Lithium batteries, widely developed for portable electronics, are now being considered for applications in hybrid and electric vehicles. Their current limitations are the low capacity and limited cycle life caused notably by the uncontrolled positive electrode / electrolyte interface. The present study reports the characterization and attempts of control of interfacial processes occurring on LiNi0. 5Mn0. 5O2, Li1. 2Ni0. 4Mn0. 4O2 and LiFePO4 positive electrode materials during their storage and electrochemical cycling. The thesis focuses on the formation and evolution of the interphase formed by decomposition of the electrolyte, depending on the surface chemistry of the active material. Different types of surface modifications have been proposed, such as intrinsic modifications upon aging in air or the promotion of a particular crystalline orientation in the case of olivine LiFePO4, or by overlithiation of the LiNi0. 5Mn0. 5O2 oxide lamellar, under the form of Li [Li0. 2Ni0. 4Mn0. 4]O2. Other types of modifications, considered as artificial or external, are based on the use of additives in the electrolyte or of a heterochemical coating on the surface of Li1. 2Ni0. 4Mn0. 4O2. In each case, species detected on the surface of materials during storage and cycling are correlated with the electrochemical performance of the positive electrodes. The originality of the work is based primarily on the development of spectroscopic tools such as MAS NMR (7Li, 19F and 31P) and EELS, in parallel to XPS, to quantitatively describe the interphase and unravel its architecture

Ce mémoire est consacré à l’étude des composites à base de phosphates de type NASICON comme matériaux d’électrode pour batteries sodium-ion : Na1+xFexTi2-x(PO4)3/C et Na1+xFexSn2-x(PO4)3/C avec 0 ≤ x ≤ 1. Ces composites ont été synthétisés par voie solide suivie d’une pyrolyse avec le saccharose. Ils sont constitués de particules ayant une porosité élevée et enrobées par du carbone conférant à l’électrode une bonne conductivité ionique et électronique. Les mécanismes réactionnels se produisant lors des cycles de charge-décharge ont été analysés en mode operando par diffraction des rayons X, spectroscopies Mössbauer du 57Fe et de 119Sn et spectroscopie d’absorption X. Pour les composites fer-titane, ces mécanismes sont essentiellement basés sur la diffusion des ions Na+ dans les canaux des phases cristallisées avec changements d’état d’oxydation des métaux. Pour les composites fer-étain, les mécanismes sont plus complexes incluant insertion, conversion conduisant à la destruction des phases NASICON, puis formation d’alliages NaxSn. Les meilleures performances électrochimiques ont été obtenues pour Na1,5Fe0,5Ti1,5(PO4)3/C avec un potentiel de fonctionnement de 2,2 V vs Na+/Na0. Même si ces deux familles de matériaux peuvent être utilisées à plus bas potentiel, les performances doivent être améliorées pour envisager leur application comme électrode négative
This thesis is devoted to the study of phosphate based composites with NASICON type structure, that are used as electrode materials for sodium-ion batteries: Na1+xFexTi2-x (PO4)3/C et Na1+xFexSn2-x(PO4)3/C with 0 ≤ x ≤ 1. These composites were synthesized by solid state route followed by a pyrolysis reaction with sucrose. They consist of particles having high porosity and coated with carbon giving to the electrode good ionic and electronic conductivity. The reaction mechanisms occurring during charge-discharge cycles were analyzed in operando mode, by X-ray diffraction, 57Fe and 119Sn Mössbauer spectroscopies and X-ray absorption spectroscopy. For the iron-titanium composites, the mechanisms are essentially based on the diffusion of Na+ in the channels of the crystalline phases with changes of transition metal oxidation state. For iron-tin composites, the mechanisms are more complex including insertion, conversion leading to the destruction of the NASICON phases and then reversible formation of NaxSn alloys. The best electrochemical performances were obtained for Na1,5Fe0,5Ti1,5(PO4)3/C with an operating potential of 2.2 V vs. Na+/Na0. Although these two types of materials can be used at lower potential, the performances must be improved to consider their application as the negative electrode

Ce travail de thèse est centré sur l’étude de matériaux LiMPO4 (M=Fe, Mn, Co) et de leur évolution en cyclage (processus rédox et interfaces électrode / électrolyte) dans des accumulateurs Li-ion. Il a été mené essentiellement sur la base d’analyses en spectroscopie photoélectronique à rayonnement X (XPS) couplées à des tests électrochimiques. Une oxydation de surface du phosphate LiFePO4 a été mise en évidence lors d’une exposition à l’air de ce matériau avec la formation d’impuretés de surface type Fe2O3. Au plan structure électronique, l’analyse des bandes de valence des matériaux LiMPO4 (M=Fe, Mn, Co) a notamment permis, pour LiFePO4, la visualisation de l’électron spin down du niveau Fe 3d amenant la première preuve expérimentale de la configuration électronique particulière (3d↑)5(3d↓)1 de Fe2+dans ce matériau. Ce travail a également contribué à mieux comprendre l’influence de la température de fonctionnement ainsi que de la nature de l’électrode négative sur les mécanismes de vieillissement des accumulateurs Li-ion. Pour les accumulateurs LiFePO4 // Graphite, la comparaison d’interfaces solide/électrolyte distribuées spatialement a montré que le vieillissement se caractérisant par la perte de lithium actif pouvait être mis en parallèle avec une hétérogénéité de fonctionnement de l’électrode positive. Enfin, l’extension des travaux aux matériaux prometteurs d’électrode positive Li(FeMn)PO4 a révélé que le potentiel de travail de fin de charge plus élevé pour le phosphate mixte, comparativement à LiFePO4, résultait dans une réactivité accrue vis-à-vis de l’électrolyte dont les conséquences ont été analysées
This thesis is focused on the study of LiMPO4 (M = Fe, Mn, Co) materials and on their evolution upon cycling (redox process end electrodes / electrolyte interfaces) in lithium ion cells. It is based on X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analyses coupled with electrochemical tests. During air exposure, a surface oxidation of phosphate LiFePO4 was observed that lead to the formation of surface impurities such as Fe2O3. Concerning electronic structure, the analysis of LiMPO4 (M=Fe, Mn, Co) materials valence spectra allowed for LiFePO4 the visualization of spin down Fe 3d electron which is the first experimental proof of the particular electronic configuration (3d↑)5(3d↓)1 of Fe2+ in this material. This work also allowed a better understanding of the effect of the working temperature as well as the nature of the negative electrode on Li-ion cells ageing mechanisms. For LiFePO4 // Graphite cell, the comparison of spatially distributed solid/electrolyte interfaces showed that ageing mechanisms, characterized by a loss of active lithium, could be associated with a heterogeneity of working of the positive electrode. In addition, the extension of these studies on new promising Li(FeMn)PO4 materials for positive electrode showed that higher working potential of mixed phosphate material compared to LiFePO4 material leads to a higher electrolyte reactivity which consequences were analysed

L'objectif de ce travail est de contribuer, par le biais d'approches expérimentales (XPS/chimisorption de sondes gazeuses) et théoriques (approches type DFT), à une meilleure compréhension fondamentale de la réactivité de surface de matériaux d'électrode positive et plus spécifiquement d'oxydes lamellaires lithiés LiMO2. La réactivité de surface du matériau LiCoO2 et l’influence d’une substitution de l’atome de cobalt par l’atome d’aluminium a été étudiée pour avancer dans la compréhension de l’effet bénéfique des « coatings » à base d’alumine. L’étude expérimentale a été centrée sur l’adsorption de SO2 et montre que la présence d’atomes d’aluminium induit une diminution de réactivité : elle génère des espèces de type sulfite, différentes des sulfates seuls identifiés pour LiCoO2. La modélisation de cette adsorption permet la mise en évidence de deux modes d’adsorption distincts : passage d’un contrôle rédox pour LiCoO2 à un contrôle acido-basique pour des matériaux contenant des atomes d’aluminium (LiAlO2), thermodynamiquement moins favorable. L’influence de la nature du métal de transition a été analysée sur la base d’études théoriques également menées sur LiMnO2 et LiNiO2. La modélisation de l’adsorption de SO2 sur les surfaces des matériaux LiMO2 révèle la présence des deux processus de chimisorption (formation de sulfites et sulfates), avec mise en évidence du rôle important des cations de sous-surface dans les processus de réduction conduisant aux sulfates. Cette étude théorique a permis d’interpréter les résultats expérimentaux obtenus pour Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2, l’identification de sulfites résulterait de la présence des ions Ni2+ alors que celle de sulfates serait liée à la présence des ions Mn4+ et Co3+
This work is devoted to a better fundamental understanding of the surface reactivity of positive electrode materials, and specifically lamellar lithiated oxides LiMO2 through experimental (XPS/chemisorption of gaseous probes) and theoretical (DFT calculations) approaches. The beneficial effect of aluminum-based coatings on electrochemical performances is well known but the exact mechanisms are not totally understood. A detailed study of the surface reactivity of LiCoO2 and of the influence of Al/Co substitution is carried out. The experimental approach is focused on SO2 adsorption and shows that Al/Co substitution induces a decrease of the surface reactivity and a change in the nature of adsorbed species (identification of sulfite species whereas only sulfate species are characterized for LiCoO2). Theoretical calculations highlighs two different adsorption modes controlled by redox properties for LiCoO2 and by acid-base properties for -LiAlO2 (less energetically favorable). The theoretical study is extended to LiMnO2 and LiNiO2 in order to analyse the influence of the nature of the transition metal atom. The modelization of SO2 adsorption reveals two chemisorption processes (sulfite and sulfate formation), and highligths the key role of subsurface cations in the reduction process which leads to sulfates. Thus theoretical approach allows on interpretation of the experimental data obtained for Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2. The identification of sulfites may be explained by the presence of Ni2+ ions whereas sulfate species may result from the presence Mn4+ and Co3+ ions

Ce mémoire vise à montrer l’intérêt de nanoparticules (NPs) de TiO2 comme plateforme pour immobiliser dans un environnement proche des complexes de coordination pouvant interagir par transfert d’électron photoinduit. Nous nous sommes intéressés à l’étude de nanomatériaux hybrides associant le complexe [Ru(bpy)3]2+ (bpy = 2,2'-bipyridine) comme photosensibilisateur aux complexes [Cr(ttpy)2]3+ ou [Mn(ttpy)(CO)3Br] (ttpy = 4'-(p-tolyl)-2,2':6',2''-terpyridine) comme accepteurs d'électrons. Pour immobiliser les différents complexes à la surface du TiO2, une fonction acide phosphonique a été introduite sur une des bipyridines du centre [Ru(bpy)3]2+ et sur la terpyridine des complexes [Cr(ttpy)2]3+. L’étude des processus de transferts de charges photo-induits sous irradiation en lumière visible sur le colloïde TiO2/RuII montre que l'état à charges séparées (e-)TiO2/ RuIII possède une longue durée de vie, ce qui rend possible l'utilisation des charges dans des réactions successives d’oxydation ou de réduction. Notamment l’irradiation du colloïde TiO2/RuII en présence de [Cr(ttpy)2]3+ et de triéthanolamine (TEOA) comme donneur d'électron sacrificiel permet la réduction à deux électrons du [Cr(ttpy)2]3+. Par la suite, le complexe [Cr(ttpy)2]3+ est immobilisé sur les NPs de TiO2/RuII pour former un assemblage RuII/TiO2/CrIII au sein duquel les processus de transfert d'électrons photo-induits sont étudiés. De manière à proposer un système pour la réduction photocatalytique du CO2, le complexe [Mn(ttpy)(CO)3Br] a été co-immobilisé avec le [Ru(bpy)3]2+ suivant une approche de chimie sur surface pour former le colloïde RuII/TiO2/MnI. Ce système présente une excellente sélectivité vis-à-vis du HCOOH comme seul produit de la photoréduction du CO2 en présence de 1-benzyl-1,4-dihydronicotinamide (BNAH) comme donneur d'électron sacrificiel. Un système hybride associant le [Ru(bpy)3]2+ portant des fonctions pyrroles et immobilisé sur TiO2 a également été synthétisé et étudié. Sous irradiation lumineuse, le transfert de charges (e-)TiO2/[Ru-pyr]3+ permet d’induire la polymérisation du pyrrole. Le nanocomposite TiO2/poly(Ru-pyr) obtenu et déposé sur une électrode génère, en présence de TEOA, un photocourant anodique stable de plus de 10 μA.cm-2. L’ensemble des résultats montre que les NPs de TiO2 peuvent être un moyen d’assembler des complexes dans un environnement proche en limitant les interactions à l’état fondamental, mais permettant des transferts d’électrons photoinduits entre eux. Suivant les potentiels redox des différents composants, les transferts d’électron ont lieu soit via la nanoparticule soit en surface de celle-ci
This thesis aims to investigate the possibility of using TiO2 nanoparticles (NPs) as a platform to immobilize proximal coordination complexes that can interact with each other by photoinduced electron transfer. We have studied hybrid nanomaterials combining [Ru(bpy)3]2+ (bpy = 2,2'-bipyridine) as a photosensitizer and [Cr(ttpy)2]3+ or [Mn(ttpy)(CO)3Br (ttpy = 4'-(p-tolyl)-2,2':6',2''-terpyridine) as electron acceptors. To immobilize the various complexes on the surface of TiO2, a phosphonic acid functional group was introduced on one of the bipyridines of the [Ru(bpy)3]2+ center and on the terpyridines of the [Cr(ttpy)2]3+ complex. Under visible light, the TiO2/RuII colloid undergoes a photo-induced charge transfer process leading to a long-lived charge separation state (e )TiO2/RuIII, which makes it possible to be engaged in successive oxidation or reduction reactions. In particular, the visible irradiation of the TiO2/RuII colloid in the presence of [Cr(ttpy)2]3+ and triethanolamine (TEOA) as a sacrificial electron donor allows the two-electron reduction of [Cr(ttpy)2]3+. Subsequently, the [Cr(ttpy)2]3+ complex has been immobilized on the TiO2/RuII NPs to form a RuII/TiO2/CrIII assembly in which the photoinduced electron transfer processes were investigated. In order to propose a system for the photocatalytic reduction of CO2, the [Mn(ttpy)(CO)3Br] and [Ru(bpy)3]2+ complexes were co-immobilized on TiO2 NPs following a chemistry on surface approach to form a RuII/TiO2/MnI triad. Under irradiation at 470 nm, this system exhibits excellent selectivity towards HCOOH as the only product of CO2 photoreduction in DMF/TEOA solvent mixture, in the presence of 1-benzyl-1,4-dihydronicotinamide (BNAH) as a sacrificial electron donor. Another hybrid system linking a [Ru(bpy)3]2+ unit to two pyrrole functions and being immobilized on TiO2 has also been synthesized and studied. Under visible light, the transient (e-)TiO2/[Ru-pyr]3+ species induce the polymerization of pyrrole to form a TiO2/poly(Ru-pyr) nanocomposite. The nanocomposite deposited on an electrode generates, in the presence of TEOA, a stable anodic photocurrent of more than 10 μA.cm-2. All the results show that TiO2 NPs can be used to associate different complexes in a close environment by limiting the interactions in the ground state but allow photoinduced electron transfer processes between them. Depending on the redox potentials of the different components, the electron transfer takes place either through the semiconducting NPs or on the surface

Dans le contexte énergétique actuel, les piles à combustible à oxyde solide sont très prometteuses comme source d’énergie alternative pour la production d’électricité. Quelques verrous restent cependant à lever pour améliorer leur durabilité, notamment en termes de matériaux d’électrode. Ce travail de thèse s’est intéressé à la caractérisation de nouveaux matériaux d’anode et de cathode. La substitution partielle du titane par du vanadium dans le titanate de lanthane La4Ti2O10 de structure cuspidine a permis de conduire à des matériaux d’anode prometteurs. Des résistances spécifiques surfaciques (ASR, Area Specific Resistance) de l’ordre de 0,2 W.cm2 ont été obtenues à 750°C sous hydrogène. Au niveau de la cathode, nos recherches ont porté sur deux types de cobaltites : une pérovskite de formulation Ba1-xCo0,9Fe0,2Nb0,1O3-d avec x = 0 et 0,1 et un matériau innovant Ba2Co9O14. Dans les deux cas, après optimisation de la microstructure des électrodes, les ASR sont inférieure à 0,1 W.cm2 à 700°C
In the current energy context, solid oxide fuel cells hold great promise as an alternative energy source for electricity generation. However, bottlenecks remain to improve their sustainability, particularly in terms of electrode materials. This work focused on the characterization of new anode and cathode materials. The partial substitution of titanium by vanadium in the lanthanum titanate La4Ti2O10 of cuspidine structure has led to promising anode materials with Aera Specific Resistance (ASR) of the order of 0.2 W.cm2 at 750 ° C under hydrogen. At the cathode, our research has focused on two types of cobaltites: a perovskite Ba1-xCo0,9Fe0,2Nb0,1O3-d with x = 0 and 0.1 and an innovative material Ba2Co9O14. In either case, after optimization of the microstructure of the electrodes, ASR less than 0.1 W.cm2 at 700 ° C were obtained

L'objectif principal du travail effectué au cours de cette thèse était de développer, caractériser et analyser des matériaux originaux pour des réactions d'oxydation photosensibilisée. Une attention particulière a été accordée à la détermination des propriétés photophysiques des sensibilisateurs (PSs) et à l'effet induit par l'immobilisation sur un support inerte (silice). Les espèces réactives formées lors de l'irradiation ont été identifiées et analysées. La production d'oxygène singulet a été suivie par deux méthodes complémentaires. Les sensibilisateurs supportés ont été employés, sous la forme de monolithes ou de poudres, pour la photo-oxydation du diméthyl sulfure à l'interface gaz-solide et de l’-terpinène à l'interface liquide-solide. L'oxygène singulet est la principale espèce réactive de l’oxygène formée par les PSs sélectionnés; néanmoins, les produits de réaction ont été analysés afin de mettre en évidence d’autres mécanismes
The main aim of the work carried out during this PhD project was to develop, characterize and analyze original materials for photosensitized oxidation reactions. Particular attention was paid to the determination of the photophysical properties of the selected photosensitizers (PSs) and the effect induced by the immobilization on an inert support (silica). The reactive species formed upon irradiation were identified and analyzed. Singlet oxygen production was monitored by two complementary methods. The solid-supported sensitizers were employed, in the form of either monoliths or powders, for the photooxidation of dimethyl sulfide at the gas-solid interface and of -terpinene at the liquid-solid interface. Singlet oxygen was the main reactive oxygen species formed by the selected PSs; nonetheless, the reaction products were analyzed and other possible mechanistic scenarios investigated

L’utilisation des batteries lithium-ion est dorénavant une technologie de choix pour le secteur automobile notamment pour son utilisation dans les véhicules hybrides et électriques, du fait d’une importante densité d’énergie disponible ainsi que d’une forte densité de puissance nécessaire à la traction d’un véhicule. Cependant, à cause de l’importante énergie embarquée, la sécurité de tels dispositifs doit être renforcée. Il a été rapporté qu’en conditions abusives de température, l’effet cumulé de la dégradation d’un électrolyte utilisant le sel LiPF6 et l’effet catalytique de matériaux d’électrode positive mène à la formation d’espèces organo-fluorées telles que le 2-fluoroéthanol. Ce projet de thèse vise alors à approfondir la compréhension du rôle des matériaux d’électrode positive vis-à-vis de la dégradation d’électrolyte à base de LiPF6, notamment en étudiant la nature des gaz produits en conditions abusives de température. Pour mener à bien ce projet, un dispositif permettant une analyse in situ des gaz formés a été développé. Le rôle de l’eau sur la formation des espèces organo-fluorées fait également l’objet d’une attention toute particulière. L’influence de plusieurs matériaux d’électrode positive sur la nature des produits de dégradation de l’électrolyte a pu être mise en évidence. Ce travail a ainsi permis d’évaluer l’influence de différents paramètres sur la dégradation thermique de l’électrolyte en vue de prédire le choix des différents constituants d’une batterie lithium-ion
The use of lithium-ion batteries is now a technology of choice for the automotive sector especially for its use in hybrid and electric vehicles, due to a high density of energy available as well as a high power density necessary to the traction of a vehicle. However, due to the high on-board energy, the safety of such devices must be enhanced. It has been reported that under abusive thermal conditions the cumulative effect of degradation of a LiPF6-based electrolyte and the catalytic effect of positive electrode materials leads to the formation of fluoro-organic species such as 2-fluoroethanol. This thesis aims to deepen the understanding of the role of positive electrode materials towards the degradation of LiPF6-based electrolyte, in particular by studying the nature of the gases produced under abusive thermal conditions. To carry out this project, a device allowing an in situ analysis of the formed gases has been developed. The role of water on the formation of fluoro-organic species is also the subject of a particular attention. The influence of several positive electrode materials on the nature of the degradation products of the electrolyte has been demonstrated. This work allowed to evaluate the influence of different parameters on the thermal degradation of the electrolyte in order to predict the choice of the various constituents of a lithium-ion battery

Ces travaux de thèse sont consacrés à l’étude de cathodes performantes pour batteries lithium/air. Les performances de ce type de batteries sont principalement limitées par les phénomènes de diffusion d’oxygène dans la cathode et l’électrolyte ainsi que par la formation d’oxydes de lithium bouchant progressivement les pores de la cathode. Ainsi on ne peut envisager le développement de l’électrode à air sans prendre en compte l’influence de l’électrolyte organique et celui-ci a également était considéré dans cette étude. La porosité de l’électrode et la nature du catalyseur employé joue un grand rôle sur les performances de l’électrode. Les électrodes à base de tissus de carbone et contenant des nanofils de α-MnO2 ont fourni les meilleurs résultats au regard de la capacité et de la tenue au cyclage. Par ailleurs, des mesures de spectroscopie de masse in situ ont permis d’analyser la formation des produits gazeux lors de la charge. Le TEGDME est un électrolyte prometteur; néanmoins, la formation de dioxyde de carbone (CO2) est détectée dès 3,7 V vs. Li/Li+
In this thesis, high-performance cathodes for lithium/air batteries have been investigated. The main limitations for lithium/air batteries are oxygen diffusion into the cathode and in the electrolyte and the progressive clogging of cathode pores by lithium oxide. The development of the air cathode is strongly dependant on the organic electrolyte used, thus the nature of the electrolyte has been here considered. Electrode porosity and the kind of catalyst employed influence the cathode performance. Promising results were obtained with carbon cloth based electrodes containing α-MnO2 nanotubes as catalyst with regards to capacity and cycle stability. Furthermore, formation of gaseous products during charging has been studied thanks to mass spectroscopy experiments. TEGDME is a promising electrolyte; nevertheless, carbon dioxide (CO2) has been detected up to 3.7 V vs. Li/Li+