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Date du colloque: 09/2010

DNA is the support of genetic information. The property of self-assembly of two complementary single strands to form a double helix enable the use of this biopolymer as a building block for nanofabrication. DNA origami are a method which enable the self-assembly of 2D or 3D nanostructures. In this method, a long single-stranded DNA taken from the genome of a phage is folded on itself in a programmable way thanks to a lot of short synthetic DNA strands. The design of origami is based on thermodynamic and on the optimization of the base pairing in the structures. However, although interactive tools that facilitate the design of DNA nano-structures have been developed, we know little about the folding process and its optimization. In this work, we study the thermodynamics of DNA nanostructures in order to have a better understanding of the folding process and to identify the key steps.We performed differential scanning calorimetry (DSC) on model structures and DNA origami. Thus, we have been able to identify the presence of key steps in the folding of small nanostructures. We show that by changing the sequences of the strands, it is possible to change the cooperativity and the stability of the assembly of the nanostructure and thus change the folding path.The study of small origami with one or two staples allowed us the see the influence of the position of the staples, of the sizes of the loops and of the orientation of the staples on the thermodynamic of the folding.Finally, the calorimetric measurements performed on origami allowed us to solve the collective hybridization of staple sets. This enable us to prioritize the origami assembly into separate domains.This work also consisted of the development of innovative methods of ultra-sensitive nano-calorimetry integrating microfluidics. These calorimetric methods will give us the access to the kinetic parameters of the folding and to the equilibrium thermodynamic parameters.Our results obtained on model nano-structures show that it is possible to optimize the design of DNA nanostructures by integrating the assembly process in the design of the structures. Such high-performance DNA nanostructures may allow in the future the development of molecular robot which is a very promising application of DNA nanostructures., L’ADN (acide désoxyribonucléique) est le support de notre génome, c'est aussi un biopolymère dont les propriétés d’hybridation de deux simples brins complémentaires en une double hélice permettent son utilisation comme brique élémentaire pour l’auto-assemblage de structures avec une résolution de quelques nanomètres. Parmi les différentes méthodes développées, l'origami d’ADN dans lequel un simple brin d’ADN issu du génome d’un phage est replié algorithmiquement par un ensemble de brins synthétiques plus petits s'est démontré très robuste pour l'assemblage de structures bi ou tridimensionnelles. La conception de ces origami est basée sur la thermodynamique à l'équilibre, c'est à dire sur l'optimisation de l'appariement complémentaire des bases. Cependant, bien que des outils interactifs qui facilitent la conception de structures aient été développés, très peu de recherches se sont focalisées sur le processus du repliement et sur son optimisation. Notre travail a consisté à étudier la thermodynamique de nanostructures d'ADN afin de mieux comprendre le processus d'assemblage et d'en identifier des étapes clés.Nous avons effectué des mesures en calorimétrie différentielle à balayage (DSC) sur des structures modèles et des origami d'ADN. Ainsi, nous avons pu identifier la présence d'étapes clés dans le repliement de nanostructures comportant un petit nombre de brins d'ADN. Nous montrons qu'en modifiant les séquences il est possible de changer la coopérativité et la stabilité de l'assemblage des nanostructures et donc de modifier le chemin de repliement.L'étude d'origami simplifiés comportant une ou deux agrafes nous a permis de mesurer l'influence de la position des agrafes, des tailles de boucles et de l'orientations des brins d'ADN sur la thermodynamique du repliement.Enfin, les mesures calorimétriques effectuées sur des origami d'ADN nous ont permis de résoudre l'hybridation collective d'ensemble d'agrafes. Cela nous permet de hiérarchiser l'assemblage de l'origami en domaines distincts.Notre travail de thèse a également consisté au développement de méthodes innovantes de nanocalorimétrie ultrasensible intégrant de la microfluidique. Ces méthodes calorimétriques permettront d'accéder aux paramètres cinétiques de l’assemblage en plus des paramètres thermodynamiques à l'équilibre.Nos résultats obtenus sur les nanostructures modèles montrent qu'il est possible d'optimiser la conception des nanostructures d'ADN en intégrant dans la conception le processus d'assemblage. Des nanostructures d'ADN à l'assemblage performant permettront peut-être à l'avenir le développement d'automates moléculaires synthétiques qui sont une des applications très prometteuses de ces systèmes.

DNA is the support of genetic information. The property of self-assembly of two complementary single strands to form a double helix enable the use of this biopolymer as a building block for nanofabrication. DNA origami are a method which enable the self-assembly of 2D or 3D nanostructures. In this method, a long single-stranded DNA taken from the genome of a phage is folded on itself in a programmable way thanks to a lot of short synthetic DNA strands. The design of origami is based on thermodynamic and on the optimization of the base pairing in the structures. However, although interactive tools that facilitate the design of DNA nano-structures have been developed, we know little about the folding process and its optimization. In this work, we study the thermodynamics of DNA nanostructures in order to have a better understanding of the folding process and to identify the key steps.We performed differential scanning calorimetry (DSC) on model structures and DNA origami. Thus, we have been able to identify the presence of key steps in the folding of small nanostructures. We show that by changing the sequences of the strands, it is possible to change the cooperativity and the stability of the assembly of the nanostructure and thus change the folding path.The study of small origami with one or two staples allowed us the see the influence of the position of the staples, of the sizes of the loops and of the orientation of the staples on the thermodynamic of the folding.Finally, the calorimetric measurements performed on origami allowed us to solve the collective hybridization of staple sets. This enable us to prioritize the origami assembly into separate domains.This work also consisted of the development of innovative methods of ultra-sensitive nano-calorimetry integrating microfluidics. These calorimetric methods will give us the access to the kinetic parameters of the folding and to the equilibrium thermodynamic parameters.Our results obtained on model nano-structures show that it is possible to optimize the design of DNA nanostructures by integrating the assembly process in the design of the structures. Such high-performance DNA nanostructures may allow in the future the development of molecular robot which is a very promising application of DNA nanostructures.; L’ADN (acide désoxyribonucléique) est le support de notre génome, c'est aussi un biopolymère dont les propriétés d’hybridation de deux simples brins complémentaires en une double hélice permettent son utilisation comme brique élémentaire pour l’auto-assemblage de structures avec une résolution de quelques nanomètres. Parmi les différentes méthodes développées, l'origami d’ADN dans lequel un simple brin d’ADN issu du génome d’un phage est replié algorithmiquement par un ensemble de brins synthétiques plus petits s'est démontré très robuste pour l'assemblage de structures bi ou tridimensionnelles. La conception de ces origami est basée sur la thermodynamique à l'équilibre, c'est à dire sur l'optimisation de l'appariement complémentaire des bases. Cependant, bien que des outils interactifs qui facilitent la conception de structures aient été développés, très peu de recherches se sont focalisées sur le processus du repliement et sur son optimisation. Notre travail a consisté à étudier la thermodynamique de nanostructures d'ADN afin de mieux comprendre le processus d'assemblage et d'en identifier des étapes clés.Nous avons effectué des mesures en calorimétrie différentielle à balayage (DSC) sur des structures modèles et des origami d'ADN. Ainsi, nous avons pu identifier la présence d'étapes clés dans le repliement de nanostructures comportant un petit nombre de brins d'ADN. Nous montrons qu'en modifiant les séquences il est possible de changer la coopérativité et la stabilité de l'assemblage des nanostructures et donc de modifier le chemin de repliement.L'étude d'origami simplifiés comportant une ou deux agrafes nous a permis de mesurer l'influence de la position des agrafes, des tailles de boucles et de l'orientations des brins d'ADN sur la thermodynamique du repliement.Enfin, les mesures calorimétriques effectuées sur des origami d'ADN nous ont permis de résoudre l'hybridation collective d'ensemble d'agrafes. Cela nous permet de hiérarchiser l'assemblage de l'origami en domaines distincts.Notre travail de thèse a également consisté au développement de méthodes innovantes de nanocalorimétrie ultrasensible intégrant de la microfluidique. Ces méthodes calorimétriques permettront d'accéder aux paramètres cinétiques de l’assemblage en plus des paramètres thermodynamiques à l'équilibre.Nos résultats obtenus sur les nanostructures modèles montrent qu'il est possible d'optimiser la conception des nanostructures d'ADN en intégrant dans la conception le processus d'assemblage. Des nanostructures d'ADN à l'assemblage performant permettront peut-être à l'avenir le développement d'automates moléculaires synthétiques qui sont une des applications très prometteuses de ces systèmes.

Located north of Iceland, the Skagafjörður area has experienced an ice shrinking during the Late Weichselian deglaciation.This period of transition from glacial to non-glacial conditions was characterized by significant impacts on reliefs and slope dynamics. The slope instabilities induced by the deglaciation operate in the form of: (i) slope deformations (i.e. gravitational spreading) and (ii) slope failures (i.e. mass-movements). This thesis is devoted to these slope readjustments which occurred in context of deglaciation. Accordingly, the thesis is related to the paraglacial geomorphology which focuses on “non glacial earth surface processes, sediment accumulations, landforms, landsystems and landscapes that are directly conditioned by glaciation and deglaciation” (Ballantyne, 2002). Two major uncertainties remains about: (i) the relationship between slopeinstabilities, both in the form of gravitational spreading and mass-movement, and the sequence of deglaciation, and (ii)the influence of paraglacial slope instabilities in the shaping of the erosional landforms usually attributed to the action ofglacial erosion processes (i.e. cirques and troughs). Main results carried out during this research highlight: (i) asignificant influence of paraglacial gravitational spreading and mass-movement respectively in the carving of troughsand cirques and (ii) a potential influence of gravitational spreading as a precursor of mass-movement, throughoutthe progressive degradation of slope stability induced by the gravitational deformation which may ultimately result inrock-slope failures.; Située au nord de l’Islande, la région littorale du Skagafjörður a connu, au cours de la déglaciation du Weichsélien Tardif, une fonte massive des édifices glaciaires. Cette période de déglaciation a eu des impacts importants sur les reliefs et les dynamiques de versant. Les instabilités qui ont affecté les versants au cours de cette séquence s’expriment selon deux modalités principales : (i) les réajustements par déformation (i.e. les étalements gravitaires) et (ii) les réajustements par glissement (i.e. les mouvements de masse). C’est à l’étude de ces réajustements de versants qui opèrent en contexte de déglaciation qu’est consacrée cette thèse. A ce titre, elle s’inscrit dans le cadre de la géomorphologie paraglaciaire qui a pour objet les « processus de surface, formations, formes et géosystèmes qui sont directement conditionnés par la glaciation et la déglaciation » (Ballantyne, 2002). Ces réajustements paraglaciaires de versant sont abordés autour de deux questions : (i) le rôle de la déglaciation dans la mise en place des réajustements de versants et (ii) le rôle des réajustements de versantsdans le façonnement des auges et des cirques glaciaires. Les résultats des recherches réalisés dans le cadre de cette thèse font apparaître : (i) une influence significative des instabilités paraglaciaires de versant (i.e mouvements de masse et étalements gravitaires) dans le façonnement et l’érosion des reliefs des milieux froids et (ii) un rôle potentielde la dynamique d’étalement gravitaire dans la dégradation progressive de la stabilité des pentes en contexte de déglaciation qui conduit, in fine, au déclenchement des mouvements de masse.

Nowadays Mars has a cold and dry climate. At some locations its surface is more than 3.5 Gy old and exhibits valleys, channels, terraces and deltas attesting the occurrence of liquid water in the past. This fluid is currently unstable on the surface of the planet, suggesting these morphologies would involve different climatic conditions from the current ones. What did early Martian climate look like? It is one of the main issues regarding this planet. Among the geomorphic evidence classically used to reconstruct past climates, Martian valleys are numerous and heterogeneously thus particularly attractive to study. Their morphologies can inform on the climatic conditions prevailing at the time of their formation and/or later during their evolution. The objective of this thesis is to contribute to solve the enigma concerning Martian pre-Amazonian (> 3.5Gy) climatic conditions by focusing on the study of equatorial valleys and the equatorial canyon of Valles Marineris. Our study reveals that the morphometry and spatial organization of some Martian valleys differ significantly from those of common terrestrial fluvial and sapping valleys. By contrast, they share a lot of similarities with terrestrial subglacial tunnel valley. The subglacial or pro-glacialmelting of surface ice deposits is plausible as an origin of some Martian valleys under cold climatic conditions. Moreover, regional geomorphological reconstitutions of Valles Marineris reveal that this valley system had witnessed glacial processes since its formation. Current glacial relicts of this former filling, probably several billion years old, still, subsist protected under a debris cover. This study suggests the possibility that pre-Amazonian atmospheric conditions on Mars do not require to be significantly different from the current ones.; Mars présente à l’heure actuelle un climat sec et froid. Certains endroits de sa surface sont âgés de plus de 3,5 Ga et présentent des vallées, des chenaux, des terrasses ou encore des deltas qui attestent de la présence d’eau liquide dans le passé. Cette dernière étant actuellement instable à la surface de la planète, l’existence de ces morphologies impliquerait des conditions climatiques passées différentes de celles actuelles. À quoi pouvait ressembler le climat de Mars à cette époque ? Il s’agit de l’une des principales interrogations concernant cette planète. Parmi les marqueurs morphologiques classiquement utilisés dans les reconstitutions climatiques, les vallées sont nombreuses et réparties de façon hétérogène sur Mars ce qui les rend particulièrement intéressantes à étudier. Ces objets peuvent nous renseigner à travers leur morphologie sur les conditions climatiques qui régnaient au moment même de leur formation et/ou plus tard au cours de leur évolution. L’objectif de cette thèse est de contribuer à la reconstitution du climat pré-amazonien (>3,5 Ga) en se concentrant sur l’étude des vallées martiennes équatoriales et du canyon équatorial de Valles Marineris. L’étude des vallées révèle que leur morphométrie et leur organisation spatiale ne ressemblent que très rarement à celles des vallées fluviatiles et de sapement fréquemment rencontrées sur Terre. Elles présentent, en revanche, de nombreuses similitudes avec les vallées tunnels d’origine sous-glaciaires terrestres. Il est donc plausible que certaines de ces vallées martiennes pré-amazoniennes aient pu voir le jour sous un climat froid par la fonte sous- et/ou pro- glaciaire de dépôts de glace de surface. D’autre part, les reconstitutions géomorphologiques régionales de Valles Marineris montrent que ce système de vallées a été le siège d(e)’une glaciation(s) postérieure(s) à sa formation dont il subsiste aujourd’hui des reliques datant probablement de plusieurs milliards d’années et qui sont protégées par une couverture de débris. Cette étude suggère la possibilité que les conditions atmosphériques pré-amazoniennes de Mars ne furent pas nécessairement très différentes de celles qui prévalent actuellement.

Nowadays Mars has a cold and dry climate. At some locations its surface is more than 3.5 Gy old and exhibits valleys, channels, terraces and deltas attesting the occurrence of liquid water in the past. This fluid is currently unstable on the surface of the planet, suggesting these morphologies would involve different climatic conditions from the current ones. What did early Martian climate look like? It is one of the main issues regarding this planet. Among the geomorphic evidence classically used to reconstruct past climates, Martian valleys are numerous and heterogeneously thus particularly attractive to study. Their morphologies can inform on the climatic conditions prevailing at the time of their formation and/or later during their evolution. The objective of this thesis is to contribute to solve the enigma concerning Martian pre-Amazonian (> 3.5Gy) climatic conditions by focusing on the study of equatorial valleys and the equatorial canyon of Valles Marineris. Our study reveals that the morphometry and spatial organization of some Martian valleys differ significantly from those of common terrestrial fluvial and sapping valleys. By contrast, they share a lot of similarities with terrestrial subglacial tunnel valley. The subglacial or pro-glacialmelting of surface ice deposits is plausible as an origin of some Martian valleys under cold climatic conditions. Moreover, regional geomorphological reconstitutions of Valles Marineris reveal that this valley system had witnessed glacial processes since its formation. Current glacial relicts of this former filling, probably several billion years old, still, subsist protected under a debris cover. This study suggests the possibility that pre-Amazonian atmospheric conditions on Mars do not require to be significantly different from the current ones.; Mars présente à l’heure actuelle un climat sec et froid. Certains endroits de sa surface sont âgés de plus de 3,5 Ga et présentent des vallées, des chenaux, des terrasses ou encore des deltas qui attestent de la présence d’eau liquide dans le passé. Cette dernière étant actuellement instable à la surface de la planète, l’existence de ces morphologies impliquerait des conditions climatiques passées différentes de celles actuelles. À quoi pouvait ressembler le climat de Mars à cette époque ? Il s’agit de l’une des principales interrogations concernant cette planète. Parmi les marqueurs morphologiques classiquement utilisés dans les reconstitutions climatiques, les vallées sont nombreuses et réparties de façon hétérogène sur Mars ce qui les rend particulièrement intéressantes à étudier. Ces objets peuvent nous renseigner à travers leur morphologie sur les conditions climatiques qui régnaient au moment même de leur formation et/ou plus tard au cours de leur évolution. L’objectif de cette thèse est de contribuer à la reconstitution du climat pré-amazonien (>3,5 Ga) en se concentrant sur l’étude des vallées martiennes équatoriales et du canyon équatorial de Valles Marineris. L’étude des vallées révèle que leur morphométrie et leur organisation spatiale ne ressemblent que très rarement à celles des vallées fluviatiles et de sapement fréquemment rencontrées sur Terre. Elles présentent, en revanche, de nombreuses similitudes avec les vallées tunnels d’origine sous-glaciaires terrestres. Il est donc plausible que certaines de ces vallées martiennes pré-amazoniennes aient pu voir le jour sous un climat froid par la fonte sous- et/ou pro- glaciaire de dépôts de glace de surface. D’autre part, les reconstitutions géomorphologiques régionales de Valles Marineris montrent que ce système de vallées a été le siège d(e)’une glaciation(s) postérieure(s) à sa formation dont il subsiste aujourd’hui des reliques datant probablement de plusieurs milliards d’années et qui sont protégées par une couverture de débris. Cette étude suggère la possibilité que les conditions atmosphériques pré-amazoniennes de Mars ne furent pas nécessairement très différentes de celles qui prévalent actuellement.

In order to understand the mechanisms of the heat transport in very thin amorphous films, we have proposed and experimentally demonstrated a new technique to measure the thermal properties of very thin membranes. This technique consists in coupling the 3 omega method to the Völklein geometry (elongated suspended membrane). The sample of interest is then implemented into a specific Wheatstone bridge in order to eliminate the electrical 1 omega signal. This technique allows the measurement with very high sensitivity of the 3 omega thermal signal and therefore the thermal properties of the membranes. Silicon nitride membranes studied in this work constitutes a typical amorphous material. We have been interested in the study on the thermal transport in such system of reduced dimensions as function of temperature and intrinsic modified stress. In order to accomplish this goal, silicon nitride membranes of high stress and low stress have been measured respectively with the thickness 50 nm and 100 nm. The overall behaviour of the measured thermal conductivity is an increase as the temperature is increased, a trend commonly found for amorphous material. The 50 nm data show thermal conductivity less than that of the 100 nm, this is consistent of the effect of reduced dimensions. The measured heat capacity is apparently higher than what is expected from the Debye phonon heat capacity. This is especially significant below 100 K where the heat capacity deviates significantly from the T3 Debye law. A theoretical model taking into account the presence of TLS in amorphous materials is then used to fit the experimental data. The theoretical fits are in excellent agreement with the experimental results. It was seen experimentally that stress has no effect on the specific heat of silicon nitride. Moreover, we have demonstrated that stress does not affect the dissipation in silicon nitride, and the dissipation dilution seems to be the sole cause of the reduction of dissipation by an applied stress in high stress silicon nitride. Therefore, stress should not affect thermal conductivity of silicon nitride, and this is consistent with the experimental results. As application for the 3 omega-Völklein method, we have demonstrated that the SiN membrane can be used as specific thermal sensor to characterize another material deposited on the backside of the membrane. We have tested this model to measure thermal properties of Bi2Te3 film and the results are in excellent agreement with literature. As the SiN is an insulator, this model is able to measure very thin films whatever its nature, insulator, semi conductor or metallic., Afin de comprendre les mécanismes de transport de la chaleur dans des films très minces des matériaux amorphes, nous avons proposé et démontré expérimentalement une nouvelle technique de mesure des propriétés thermiques de membranes très minces. Cette technique consiste à coupler la méthode 3 oméga avec la géométrie Völklein (membrane suspendue allongée). L'échantillon d'intérêt est alors monté dans un pont de Wheatstone spécifique afin d'éliminer le signal électrique 1 oméga. Cette technique permet de mesurer avec une très haute sensibilité le signal thermique 3 oméga et donc les propriétés thermiques des membranes. Le nitrure de silicium étudié dans ce travail constitue un matériau amorphe typique. Nous avons été intéressés par l'étude du transport thermique dans un tel système de dimensions réduites en fonction de la température et du stress intrinsèque qui présente dans les films. Afin d'atteindre cet objectif, les membranes de nitrure de silicium de stress élevé et de faible niveau de stress ont été mesurées respectivement pour une épaisseur de 50 nm et 100 nm. Le comportement global de la conductivité thermique mesurée est une croissance quand la température augmente, une tendance généralement constaté pour un matériau amorphe. Le data de membrane de 50 nm présente une conductivité thermique inférieure à celle du 100 nm, ce qui est en accord avec l'effet des dimensions réduites. La chaleur spécifique mesurée s'écarte sensiblement de la loi en T3 de Debye. Cela est particulièrement important en dessous de 100 K où la chaleur spécifique est plus élevé que celle prévue par la modèle Debye. Ces résultats expérimentaux sont en excellent accord avec les prévisions d'un model théorique qui tient en compte de l'effet TLS (Two Level System) qui présente dans le matériaux amorphe. Il a été montré expérimentalement que le stress n'a pas d'effet sur la chaleur spécifique de nitrure de silicium. De plus, nous avons démontré que le stress n'affecte pas la dissipation dans nitrure de silicium, et la dissipation par dilution semble être la cause de la réduction de la dissipation. Par conséquent, le stress ne devrait pas affecter la conductivité thermique du nitrure de silicium, ce qui est cohérent avec les résultats expérimentaux. En terme d'application de la méthode 3 oméga-Völklein, nous avons démontré que la membrane de SiN peut être utilisée comme capteur thermique spécifique pour caractériser un autre matériau déposée sur la face arrière de la membrane. Nous avons testé ce modèle pour mesurer les propriétés thermiques d'un film de 200 nm de Bi2Te3. Les résultats obtenus sont en excellent accord avec la littérature. Comme le SiN est un matériau isolant, ce modèle est capable de mesurer des films très minces quelle que soit sa nature, isolant, semi conducteur ou métallique.

In order to understand the mechanisms of the heat transport in very thin amorphous films, we have proposed and experimentally demonstrated a new technique to measure the thermal properties of very thin membranes. This technique consists in coupling the 3 omega method to the Völklein geometry (elongated suspended membrane). The sample of interest is then implemented into a specific Wheatstone bridge in order to eliminate the electrical 1 omega signal. This technique allows the measurement with very high sensitivity of the 3 omega thermal signal and therefore the thermal properties of the membranes. Silicon nitride membranes studied in this work constitutes a typical amorphous material. We have been interested in the study on the thermal transport in such system of reduced dimensions as function of temperature and intrinsic modified stress. In order to accomplish this goal, silicon nitride membranes of high stress and low stress have been measured respectively with the thickness 50 nm and 100 nm. The overall behaviour of the measured thermal conductivity is an increase as the temperature is increased, a trend commonly found for amorphous material. The 50 nm data show thermal conductivity less than that of the 100 nm, this is consistent of the effect of reduced dimensions. The measured heat capacity is apparently higher than what is expected from the Debye phonon heat capacity. This is especially significant below 100 K where the heat capacity deviates significantly from the T3 Debye law. A theoretical model taking into account the presence of TLS in amorphous materials is then used to fit the experimental data. The theoretical fits are in excellent agreement with the experimental results. It was seen experimentally that stress has no effect on the specific heat of silicon nitride. Moreover, we have demonstrated that stress does not affect the dissipation in silicon nitride, and the dissipation dilution seems to be the sole cause of the reduction of dissipation by an applied stress in high stress silicon nitride. Therefore, stress should not affect thermal conductivity of silicon nitride, and this is consistent with the experimental results. As application for the 3 omega-Völklein method, we have demonstrated that the SiN membrane can be used as specific thermal sensor to characterize another material deposited on the backside of the membrane. We have tested this model to measure thermal properties of Bi2Te3 film and the results are in excellent agreement with literature. As the SiN is an insulator, this model is able to measure very thin films whatever its nature, insulator, semi conductor or metallic.; Afin de comprendre les mécanismes de transport de la chaleur dans des films très minces des matériaux amorphes, nous avons proposé et démontré expérimentalement une nouvelle technique de mesure des propriétés thermiques de membranes très minces. Cette technique consiste à coupler la méthode 3 oméga avec la géométrie Völklein (membrane suspendue allongée). L'échantillon d'intérêt est alors monté dans un pont de Wheatstone spécifique afin d'éliminer le signal électrique 1 oméga. Cette technique permet de mesurer avec une très haute sensibilité le signal thermique 3 oméga et donc les propriétés thermiques des membranes. Le nitrure de silicium étudié dans ce travail constitue un matériau amorphe typique. Nous avons été intéressés par l'étude du transport thermique dans un tel système de dimensions réduites en fonction de la température et du stress intrinsèque qui présente dans les films. Afin d'atteindre cet objectif, les membranes de nitrure de silicium de stress élevé et de faible niveau de stress ont été mesurées respectivement pour une épaisseur de 50 nm et 100 nm. Le comportement global de la conductivité thermique mesurée est une croissance quand la température augmente, une tendance généralement constaté pour un matériau amorphe. Le data de membrane de 50 nm présente une conductivité thermique inférieure à celle du 100 nm, ce qui est en accord avec l'effet des dimensions réduites. La chaleur spécifique mesurée s'écarte sensiblement de la loi en T3 de Debye. Cela est particulièrement important en dessous de 100 K où la chaleur spécifique est plus élevé que celle prévue par la modèle Debye. Ces résultats expérimentaux sont en excellent accord avec les prévisions d'un model théorique qui tient en compte de l'effet TLS (Two Level System) qui présente dans le matériaux amorphe. Il a été montré expérimentalement que le stress n'a pas d'effet sur la chaleur spécifique de nitrure de silicium. De plus, nous avons démontré que le stress n'affecte pas la dissipation dans nitrure de silicium, et la dissipation par dilution semble être la cause de la réduction de la dissipation. Par conséquent, le stress ne devrait pas affecter la conductivité thermique du nitrure de silicium, ce qui est cohérent avec les résultats expérimentaux. En terme d'application de la méthode 3 oméga-Völklein, nous avons démontré que la membrane de SiN peut être utilisée comme capteur thermique spécifique pour caractériser un autre matériau déposée sur la face arrière de la membrane. Nous avons testé ce modèle pour mesurer les propriétés thermiques d'un film de 200 nm de Bi2Te3. Les résultats obtenus sont en excellent accord avec la littérature. Comme le SiN est un matériau isolant, ce modèle est capable de mesurer des films très minces quelle que soit sa nature, isolant, semi conducteur ou métallique.

The Cassini spacecraft has revealed in 2006 the existence of lakes and seas in the polar regions of Titan, Saturn's major moon. These lakes would be filled by liquid methane and ethane, metastable on Titan's surface, such as water is on Earth. The rounded shape of the depressions in which they lie suggests a depression formation related to volcanic, thermokarstic, karstic or evaporitic processes. This thesis thus aims at understanding formation mechanisms and the development of the lacustrine depressions on Titan. The comparative study between Ontario Lacus, the largest lacustrine depression of the southern hemisphere, and the Etosha pan, a karsto-evaporitic depression of Namibia, suggests a formation scenario based on the dissolution of a superficial layer soluble in the liquids. This layer would form by (1) evaporitic crystallization under an arid climate of organic compounds dissolved in the liquids, and/or (2) surface accumulation of solid hydrocarbons synthesized in the atmosphere. The analogies between other lacustrine depressions on Titan and on Earth seem to indicate that dissolution and evaporation play a predominant role in the shaping and the evolution of Titan's surface. The comparison between Titan's and Earth's climates indicates the existence of an overall arid climate, more humid at high latitudes, compatible with the suggested karstic and evaporitic mechanisms. Future laboratory experiments, compositional mapping of the surface and geomorphological studies will bring further constraints on the link between these processes and Titan's climate.; La sonde Cassini a révélé en 2006 l'existence de lacs et de mers dans les régions polaires de Titan, la principale lune de Saturne. Ces lacs seraient remplis de méthane et d'éthane liquides, métastables à la surface de Titan, tout comme l'est l'eau sur Terre. La forme arrondie des dépressions dans lesquelles ils résident suggère une formation des dépressions par des processus volcaniques, thermokarstiques, karstiques ou évaporitiques. Cette thèse vise donc à comprendre le mécanisme de formation et le développement des dépressions lacustres sur Titan. L'étude comparative entre Ontario Lacus, la plus grande dépression lacustre de l'hémisphère Sud, et le pan d'Etosha, une dépression karstoévaporitique de Namibie, suggère un scénario de formation basé sur la dissolution d'une couche superficielle soluble dans les liquides. Cette couche se formerait par (1) cristallisation évaporitique sous climat aride de composés organiques dissous dans les liquides, et/ou (2) accumulation en surface d'hydrocarbures solides synthétisés dans l'atmosphère. Les analogies entre d'autres dépressions lacustres sur Titan et sur Terre semblent indiquer que la dissolution et l'évaporation jouent un rôle prépondérant dans le façonnement et l'évolution de la surface de Titan. La comparaison entre les climats de Titan et de la Terre indique l'existence d'un climat globalement aride, plus humide aux hautes latitudes, compatible avec les mécanismes karstiques et évaporitiques suggérés. Des expériences en laboratoire, des cartographies de composition de la surface et des études géomorphologiques futures apporteront des contraintes supplémentaires sur le lien entre ces processus et le climat de Titan.

The Cassini spacecraft has revealed in 2006 the existence of lakes and seas in the polar regions of Titan, Saturn's major moon. These lakes would be filled by liquid methane and ethane, metastable on Titan's surface, such as water is on Earth. The rounded shape of the depressions in which they lie suggests a depression formation related to volcanic, thermokarstic, karstic or evaporitic processes. This thesis thus aims at understanding formation mechanisms and the development of the lacustrine depressions on Titan. The comparative study between Ontario Lacus, the largest lacustrine depression of the southern hemisphere, and the Etosha pan, a karsto-evaporitic depression of Namibia, suggests a formation scenario based on the dissolution of a superficial layer soluble in the liquids. This layer would form by (1) evaporitic crystallization under an arid climate of organic compounds dissolved in the liquids, and/or (2) surface accumulation of solid hydrocarbons synthesized in the atmosphere. The analogies between other lacustrine depressions on Titan and on Earth seem to indicate that dissolution and evaporation play a predominant role in the shaping and the evolution of Titan's surface. The comparison between Titan's and Earth's climates indicates the existence of an overall arid climate, more humid at high latitudes, compatible with the suggested karstic and evaporitic mechanisms. Future laboratory experiments, compositional mapping of the surface and geomorphological studies will bring further constraints on the link between these processes and Titan's climate.; La sonde Cassini a révélé en 2006 l'existence de lacs et de mers dans les régions polaires de Titan, la principale lune de Saturne. Ces lacs seraient remplis de méthane et d'éthane liquides, métastables à la surface de Titan, tout comme l'est l'eau sur Terre. La forme arrondie des dépressions dans lesquelles ils résident suggère une formation des dépressions par des processus volcaniques, thermokarstiques, karstiques ou évaporitiques. Cette thèse vise donc à comprendre le mécanisme de formation et le développement des dépressions lacustres sur Titan. L'étude comparative entre Ontario Lacus, la plus grande dépression lacustre de l'hémisphère Sud, et le pan d'Etosha, une dépression karstoévaporitique de Namibie, suggère un scénario de formation basé sur la dissolution d'une couche superficielle soluble dans les liquides. Cette couche se formerait par (1) cristallisation évaporitique sous climat aride de composés organiques dissous dans les liquides, et/ou (2) accumulation en surface d'hydrocarbures solides synthétisés dans l'atmosphère. Les analogies entre d'autres dépressions lacustres sur Titan et sur Terre semblent indiquer que la dissolution et l'évaporation jouent un rôle prépondérant dans le façonnement et l'évolution de la surface de Titan. La comparaison entre les climats de Titan et de la Terre indique l'existence d'un climat globalement aride, plus humide aux hautes latitudes, compatible avec les mécanismes karstiques et évaporitiques suggérés. Des expériences en laboratoire, des cartographies de composition de la surface et des études géomorphologiques futures apporteront des contraintes supplémentaires sur le lien entre ces processus et le climat de Titan.

We decide to measure calorimetric signature of quantum phase coherence in mesoscopic rings, Nous avons décidé de chercher à mesurer la présence des courants permanents dans des anneaux métalliques mésocopiques d'un point de vue thermique, en enregistrant les variations de chaleur spécifique des anneaux

Important sulfate deposits have been discovered in various equatorial regions of Mars : the canyons of Valles Marineris, chaotic terrains, and Meridiani plains. In order to explain the chemical composition of these deposits and the formation of such a large volume of sediments displaying the same composition and various and extensive terrains, one of the latest hypotheses suggests a glacial origin. The aim of this thesis is to evaluate the consistency of this hypothesis by an integrated morphological and mineralogical study of sulfates found on the North Polar Cap and on equatorial chaotic terrains (Aram Chaos). The analysis of the North Polar Cap reveals that all the superficial sediments contain gypsum. These sulfate-bearing particles have been released directly from the ice cap by sublimation. Winds are then responsible for the reworking of these sediments and their accumulation in the circumpolar dune field. The analysis of Aram Chaos sulfate deposits reveals some bright, layered outcrops, similar to those observed in Valles Marineris and in Meridiani Planum ; they contain a mixture of monohydrated sulfates, ferric oxides and hydrated minerals. These deposits could also originate from glacial processes because climate models and morphological analyses show that, during periods of high obliquity, ice accumulations can have formed in the lower latitudes. Moreover, the observation of terrestrial analogs in Antarctica demonstrates that sulfates can form in ice by post-depositional processes. These processes could reproduce the chemical composition of the Martian equatorial deposits if ice and some volcanic materials were accumulated at the same time.; D'importants dépôts de sulfates ont été découverts dans certaines régions équatoriales de Mars : les canyons de Valles Marineris, les terrains chaotiques, et les plaines de Meridiani. Afin d'expliquer la chimie de ces dépôts, ainsi que la formation d'un tel volume de sédiments de même composition, sur des surfaces aussi larges et variées, l'une des hypothèses les plus récentes suggère une origine glaciaire. Le but de cette thèse est d'évaluer la plausibilité de ce mode de formation, par une étude morphologique et minéralogique comparative des sulfates trouvés sur la calotte polaire Nord et sur les terrains chaotiques (Aram Chaos). L'analyse des sédiments superficiels de la calotte polaire montre que ceux-ci sont riches en gypse. Ces particules riches en sulfates proviennent directement de la calotte polaire, s'accumulent en surface par ablation de la glace, et sont transportées par le vent dans les dunes circum-polaires. L'analyse des affleurements observés à l'équateur sur Aram Chaos montre des dépôts stratifiés clairs, semblables à ceux de Valles Marineris et de Meridiani Planum ; ils contiennent un mélange de sulfates monohydratés, d'oxydes de fer et de minéraux hydratés. Ces dépôts pourraient également avoir une origine glaciaire car, durant les périodes de haute obliquité, d'anciennes accumulations de glace ont pu se former aux basses latitudes. De plus, l'observation d'analogues terrestres en Antarctique révèle que des sulfates se forment effectivement dans la glace par des réactions post-dépôt, et peuvent être compatibles avec la chimie des minéraux observés à l'équateur martien, si l'accumulation de la glace coïncide avec le dépôt de matériaux volcaniques.

To understand the mechanisms of the heat transport at small length scales, we are fabricating complex nano-devices and measuring the thermal conductance of suspended silicon nanowires at cryogenic temperatures, principally by the 3 omega method. We demonstrate the dependance of the phonon transport to the dimensions and the geometry of these nanostructures. For nanowires with a length between 8 and 10 µm, and a section of 200x100 nm^2, we observe a deviation of the diffusive regime of Casimir below 5K, which can be explained by taking account the roughness of the surface of the nanowires. When the temperature decreases, the wave length of the phonons increases and ballistic collisions at the surface occur, implying an increase of the mean free path of the phonons, considered before as constant. Important mesoscopic effects on the phonons transport induced by the geometry of the nanowires have been measured for the first time. The presence of zigzag on the length of the wires blocks the current of phonons on a wide range of temperature, with as consequence an important decrease in the order of 40 % of the thermal conductance in comparison with straight nanowires. Experiments in parrallel on silcon NEMS have been performed at low temperatures, and compared with MEMS of same geometries. The mechanical behavior of silcon nanostructures at low scale is also aborded. At the end, first prototypes of zeptoJoules nanocalorimeters (10^-21 J) are presented, which allow thermal characterization of single mesoscopic object., Pour comprendre les mécanismes du transport de la chaleur à l'échelle du nanomètre, nous avons fabriqué des dispositifs suspendus nanostructurés complexes et mesuré leur conductance thermique aux températures cryogéniques, notamment via la méthode 3 oméga. Nous avons pu ainsi démontrer la dépendance du transport des phonons aux dimensions et à la géométrie des nanostructures. Pour des nanofils de silicium d'une longueur comprise entre 8 et 10 µm, et d'une section de 200x100 nm^2, nous observons une déviation au régime diffusif de Casimir sous 5K, que nous pouvons expliquer en tenant compte de la rugosité en surface des nanofils. Quand la température décroit, la longueur d'onde des phonons augmente et des collisions balistiques en surface surviennent, impliquant une augmentation du libre parcours moyen des phonons, considéré comme constant jusque là. D'importants effets mésoscopiques sur le transport des phonons induits par la géométrie des nanofils ont pu être mesurés pour la première fois. La présence de zig-zag sur la longueur des fils bloquent le courant de phonons sur une large gamme de température, ayant pour conséquence une importante réduction de l'ordre de 40% de la conductance thermique en comparaison avec des nanofils droits. En parallèle, des expériences ont été menées sur des NEMS de silicium à basse température, et comparées avec des résultats antérieurs sur des MEMS de même géométrie. Le comportement mécanique des structures de silicium aux petites échelles est également abordé. A la fin de ce manuscrit, sont présentés les premiers prototypes de nano-calorimètres zepto-Joules (10^-21 J), qui vont permettre des caractérisations thermiques extrêmes d'objets uniques mésoscopiques.

Nanocalorimetric measurements have been carried out on systems composed of arrays of mesoscopic superconductors: aluminium rings and disks of size close to the aluminum coherence length at zero temperature ($\xi(0)\approx 160$ nm). We show that the heat capacity $C$ of these systems is modulated by a perpendicular applied magnetic field $H$; this is the first time that a thermal signature of the mesoscopic nature of such systems is reported. The shape, period, pseudo-period or amplitude of the observed modulations of $C$ depend on the size of the systems as well as on their geometry or topology. Far from the critical temperature, the oscillations of $C$ are due to the penetration or the expulsion of vortices, such as the fluxoid remains quantized in units of $\Phi_0=h/2e$, the superconducting flux quantum. Our measurements of $C$ can be understood in the framework of the Ginzburg-Landau theory; from this we learn that occupied states are mostly metastable ones, leading to unexpected periodicities of $C(H)$ and to interesting hysteretical features. Closer to the critical temperature, oscillations of $C(H)$ are attributed to the Little-Parks effect, i.e. the $\Phi_0$-periodical oscillation of the critical temperature of a ring or of a cylinder trapping a magnetic flux. The experiments we present are the first experimental demonstrations of this effect carried out on a mesoscopic sample without connecting it to electron reservoirs., Des mesures de nanocalorimétrie ont été effectuées sur des systèmes composés d'assemblées de supraconducteurs mésoscopiques: anneaux et disques d'aluminium de diamètres comparables à la longueur de cohérence à température nulle de l'aluminium ($\xi(0)\approx 160$ nm). Nous montrons que la capacité calorifique $C$ de ces systèmes est modulée par un champ magnétique $H$ perpendiculaire aux structures, et il s'agit de la première démonstration expérimentale d'une signature thermique du caractère mésoscopique de ce type de systèmes. Les caractéristiques des modulations de $C$ observées (allure, période, pseudo-période, amplitude...) varient en fonction de la taille des systèmes, mais aussi de leur géométrie ou de leur topologie. Loin de la température critique, les oscillations ont pour origine la pénétration ou l'expulsion de vortex, de manière à respecter la contrainte de quantification du fluxoïde en unités du quantum de flux supraconducteur $\Phi_0=h/2e$. Les mesures de $C$ peuvent être interprétées dans le cadre de la théorie de Ginzburg-Landau, qui nous apprend que les états occupés par les systèmes sont le plus souvent métastables. Cela se traduit par l'observation de courbes $C(H)$ de période plus importante que prévu, et par des phénomènes d'hystérésis. Plus près de la température critique, les oscillations de $C(H)$ sont attribuées à l'effet Little-Parks, c'est à dire l'oscillation $\Phi_0$-périodique de la température critique d'un anneau ou cylindre traversé par un flux magnétique; nous présentons en fait la première démonstration expérimentale de l'effet Little-Parks sur un système mésoscopique non connecté à des réservoirs d'électrons.

The work presented in this thesis deals with identification and control of the thermal and acoustic properties of high thermoelectric potential nanostructures called “superlattices”. This thesis is divided in three parts:The first part gives a theoretical description of thermal diffusion in insulating and semiconducting materials. We first broach the atomic description then the macroscopic view using the Thermal Quadrupole model. The end of this chapter deals with acoustic and thermal properties specific to superlattices.The second part describes and compares synchronous and asynchronous thermoreflectance techniques used to extract thermal properties of thin films and superlattices. We find that for the synchronous case signals are subject to artifacts which confound parameter estimations. For the asynchronous case, we find that lack of a mechanical translation stage removes these artifacts. We then investigate the sensitivity functions, and finally validate our identification method by estimation of the thermal conductivity of a SiO2 thin film.The third part presents the results of thermal parameter identification in SiGe superlattices. We show that thermal interfaces play a major role to in the overall thermal conductivity. We also study superlattices with Ge nanodots and show that for such structures we are able to obtain thermal conductivity values near the amorphous values. Moreover, the linear behavior of the thermal conductivity with period thickness shows that it is possible to control this value. Finally, we use Thermoreflectance to perform THz coherent phonon spectroscopy of superlattices, revealing the spectral selectivity of these nanostructures., le travail de cette thèse porte sur l’identification et le contrôle des propriétés thermiques et acoustiques de nanostructures à fort potentiel thermoélectrique appelés « Super-réseaux ». Le manuscrit comporte trois parties :La première partie est consacrée à la description théorique des phénomènes de transport thermique par diffusion dans les solides isolants et semi-conducteurs. Nous abordons tout d’abord le point de vue atomique, puis macroscopique en utilisant la méthode des quadripôles thermiques. La fin du chapitre est consacrée aux propriétés acoustiques et thermiques des super-réseaux.La deuxième partie présente et compare les méthodes de Thermoreflectance laser synchrone et asynchrone utilisées pour extraire les propriétés thermiques de couches minces et de super-réseaux. Nous montrons que dans le cas synchrone, les signaux sont soumis à des artefacts modifiant leur allure et rendant difficile l’identification des propriétés thermiques. Dans le cas asynchrone, la suppression de tous les éléments mobiles permet d’obtenir un signal sans artéfact. Nous traitons ensuite des fonctions de sensibilité au modèle développé puis nous validons la méthode d’identification en estimant la conductivité thermique d’un film mince de SiO2.La troisième partie présente les résultats des identifications de la conductivité thermique de différents super-réseaux de SiGe. Nous montrons que les résistances d’interface jouent un rôle majeur dans l’explication de la réduction de la conductivité thermique. Nous étudions également des super-réseaux contenant des îlots de Ge, nous montrons que de telles structures permettent d’obtenir non seulement des conductivités proches de celles des matériaux amorphes, mais le comportement linéaire de la conductivité en fonction de la période montre qu’il est possible de contrôler cette dernière. Enfin, nous utilisons la Thermoreflectance pour réaliser une étude de spectroscopie THz de phonons cohérents dans les super-réseaux et nous mettons en évidence la sélectivité spectrale des ces nanostructures.