Two pale green mutants of the green alga Chlamydomonas reinhardtii, which have been used over the years in many photosynthesis studies, the BF4 and p71 mutants, were characterized and their mutated gene identified in the nuclear genome. The BF4 mutant is defective in the insertase Alb3.1 whereas p71 is defective in cpSRP43. The two mutants showed strikingly similar deficiencies in most of the peripheral antenna proteins associated with either photosystem I or photosystem 2. As a result the two photosystems have a reduced antenna size with photosystem 2 being the most affected. Still up to 20% of the antenna proteins remain in these strains, with the heterodimer Lhca5/Lhca6 showing a lower sensitivity to these mutations. We discuss these phenotypes in light of those of other allelic mutants that have been described in the literature and suggest that eventhough the cpSRP route serves as the main biogenesis pathway for antenna proteins, there should be an escape pathway which remains to be genetically identified.

La capacité à imager des distributions de champ magnétique avec une sensibilité élevée et une résolution spatiale nanométrique, est devenue d'une importance primordiale dans un grand nombre de domaines. On peut ici citer l'étude d’espèces biomagnétiques, le géomagnétisme, la matière condensée, ou la microélectronique par exemple. Cette thèse porte sur une technique d'imagerie magnétique hautement résolue qui repose sur le spin unique d'un défaut ponctuel (le centre NV) dans le diamant. Ce défaut se comporte comme une molécule individuelle fluorescente logée à l'intérieur de la matrice de diamant; à ce défaut est associé un spin qui peut être adressé optiquement. Ce spin peut être utilisé comme un magnétomètre de taille atomique: le champ magnétique au voisinage du centre NV est mesuré à partir du décalage Zeeman lu sur le spectre de résonance magnétique détecté optiquement.Au cours de ma thèse, j'ai travaillé à étendre la magnétométrie NV à balayage vers un fonctionnement à des températures cryogéniques. L’élément principal du magnétomètre consiste en une sonde en diamant hébergeant un centre NV unique, qui est montée sur un microscope à force atomique (AFM) fonctionnant à 4 K. Les performances de ce magnétomètre sont évaluées en cartographiant le champ magnétique produit par des couches minces ferromagnétiques. Deux modes de fonctionnement peuvent être utilisés. Dans le régime de champ magnétique faible (< 5 mT), une cartographie quantitative des champs magnétiques de fuite peut être mise en œuvre en enregistrant le spectre de résonance de spin. Dans le régime de champ magnétique élevé (> 5 mT), la distribution du champ magnétique de fuite peut être obtenue qualitativement, en enregistrant simplement le niveau de photoluminescence du centre NV.Ce mode d'extinction de photoluminescence est ici appliqué pour explorer la physique des skyrmions magnétiques dans des couches minces ferromagnétiques. Ces structures de spin avec une aimantation tourbillonnante, sont très prometteuses pour le stockage et le traitement d'informations à l'échelle nanométrique dans les futurs dispositifs de mémoire et de logique. Nous étudions d'abord le rôle du désordre structurel et de l'histoire magnétique sur la morphologie de skyrmions magnétiques. Ces travaux sont ensuite étendus à l'étude des alliages de Heusler, une classe de matériaux ferromagnétiques à coefficient d'amortissement magnétique intrinsèquement faible. Nous démontrons la première stabilisation des skyrmions magnétiques dans ces matériaux prometteurs ainsi qu'un processus efficace de nucléation induit par le courant. Pourtant, malgré le faible coefficient d'amortissement magnétique, le déplacement des skymions induit par le courant reste limité par de forts effets de piégeage. Enfin, nous démontrons la stabilisation de skyrmions de 60 nm de diamètre sous champ magnétique externe nul et à température ambiante, dans un empilement optimisé de couches couplées par polarisation d’échange.La magnétométrie à centre NV peut également être développée suivant des configurations d'imagerie à champ large. Dans ces expériences, la sonde en diamant consiste généralement en un substrat de diamant hébergeant des centres NV près de la surface. Nous nous sommes concentrés sur l'optimisation de ces sondes en diamant pour améliorer la sensibilité de ces imageurs magnétiques. Divers paramètres ont un impact sur cette sensibilité; ceux-ci incluent le contrôle de la localisation en profondeur, de la densité et de l'orientation des centres NV. Nous proposons ici une nouvelle stratégie pour obtenir, par dépôt chimique en phase vapeur, des centres NV à orientation préférentielle. Cette stratégie s'appuie sur un contrôle de la température de croissance effectuée sur un substrat orienté (113). Nous combinons ensuite cet effet avec l'incorporation dépendante de la température des centres NV pour produire un échantillon de diamant présentant une couche dense de centres NV préférentiellement alignés.

Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) ou « graphite blanc » est un semiconducteur qui possède une large bande interdite (~ 6 eV) et dont la structure cristalline est proche de celle du graphite : elle est formée par des plans d’atomes arrangés en nid d’abeilles. La liaison entre les plans est de type Van-der-Waals. En 2004, h-BN a démontré sa capacité d’émettre de manière efficace de la lumière dans l’UV profond (~200 nm) et cela sur des cristaux massifs synthétisés au Japon (NIMS). Ces résultats ont attiré l’attention de la communauté scientifique des semiconducteurs pour la possibilité de pouvoir utiliser ce matériau comme une source de lumière pour des applications dans l’UV profond. La nature de la bande interdite dans h-BN massif a été un sujet de débat pendant plus de 12 ans et elle a été étudiée à la fois par des calculs théoriques et par des expériences. En 2016, le gap a été démontré de nature indirecte par des expériences de spectroscopie optique à 2-photons. Un exciton indirect et des recombinaisons assistées par phonons ont été observés par photoluminescence dans h-BN. Dans h-BN, comme dans d’autres matériaux 2D, en passant d’un système 3D (massif) à un système 2D (monocouche), la nature du gap change. Les calculs montrent un changement d’un gap indirect (massif) vers un gap direct (monocouche). Cette transition de gap indirect-direct n’a jamais été observée dans h-BN, et en conséquence les propriétés opto-électroniques de la monocouche n’ont jamais été étudiées. Durant cette thèse, nous avons étudié pour la première fois les propriétés optiques de la monocouche de BN (mBN) par spectroscopie optique (macro-PL et réflectivité) sur des échantillons de mBN épitaxiés par MBE à haute température sur des substrats de graphite (HOPG). Nos résultats ont démontré pour la première fois la possibilité de fabriquer une monocouche de BN (3.5 Å) par MBE. Nos mesures de spectroscopie optique ont démontré la présence d’une transition optique à 6.1 eV associée à un gap direct dans la mBN.

Les matériaux antiferromagnétiques (AF) suscitent actuellement un intérêt considérable pour la conception de futurs dispositifs spintroniques à faible coût énergétique et ultra-rapides. Cependant, l’exploration de ces matériaux novateurs se heurte à des défis d’imagerie magnétique : la plupart des techniques conventionnelles de microscopie magnétique en espace réel ne peuvent pas sonder l'ordre AF aux échelles nanométriques, en raison de la compensation des moments magnétiques donnant lieu à des signaux magnétiques extrêmement faibles. Il s'agit d'un obstacle majeur à la compréhension fondamentale de l'ordre AF à l'échelle nanométrique et de sa réponse à des stimuli externes, tels que des courants polarisés en spin ou des champs électriques. Afin d’exploiter le potentiel des matériaux AF dans une nouvelle génération de dispositifs spintroniques, les capacités de contrôle et d'imagerie à l'échelle nanométrique, qui sont désormais courantes pour l’étude des matériaux ferromagnétiques, doivent être étendues aux matériaux AF. Nous prouvons dans cette thèse que la magnétométrie à balayage basée sur un défaut azote-lacune (NV) dans le diamant, convient parfaitement à l'imagerie d'ordres AF complexes à l'échelle nanométrique, sous conditions ambiantes.Un matériau prometteur pour la spintronique AF est le BiFeO3 (BFO), un multiferroïque opérant à température ambiante dans lequel l'ordre AF est intimement lié à l'ordre ferroélectrique via le couplage magnétoélectrique. La magnétométrie NV démontre ici sa capacité à imager l'ordre AF cycloïdal dans BFO en cartographiant le champ magnétique de fuite qu'il produit. Il permet également de déduire des grandeurs caractéristiques telles que la valeur du moment magnétique non compensé, mais aussi de visualiser en espace réel le lien intime entre les ordres ferroélectrique et AF. Afin que le BFO trouve sa place dans la conception de dispositifs spintroniques, les couches minces doivent être employées. L'effet de la contrainte épitaxiale sur l'ordre AF dans des couches minces de BFO est ici étudié. Il est montré que la contrainte et le contrôle électrique peuvent stabiliser une grande variété de textures de spin AF complexes dans les couches minces de BFO.Au delà d’imager le champ de fuite statique, nous montrons une nouvelle approche pour l'imagerie des textures AF qui consiste à cartographier le bruit magnétique qu'elles produisent localement plutôt que leurs champs magnétiques statiques. Cette technique exploite la forte dépendance de la photoluminescence du défaut NV sur les fluctuations magnétiques à la fréquence de résonance de spin du centre NV. Comme preuve de principe de l'efficacité de cette technique, les propriétés ajustables des antiferromagnétiques synthétiques qui hébergent des ondes de spins sont exploitées, pour stabiliser différentes textures de spin. Ces textures AF telles que les parois de domaine, les spirales de spin et les skyrmions AF sont imagées par cette technique nouvelle de relaxométrie.

AlGaN based light emitting diodes (LEDs) will play a key role for the development of applications in the ultra-violet (UV). In the UVB region (280–320 nm), phototherapy and plant lighting are among the targeted uses. However, UVB LED performances still need to be improved to reach commercial markets. In particular, the design and the fabrication process of the active region are central elements that affect the LED internal quantum efficiency (IQE). We propose the use of nanometer-sized epitaxial islands (i.e., so called quantum dots (QDs)) to enhance the carrier localization and improve the IQE of molecular beam epitaxy (MBE) grown UVB LEDs using sapphire substrates with thin sub-μm AlN templates. Taking advantage of the epitaxial stress, AlGaN QDs with nanometer-sized (≤10 nm) lateral and vertical dimensions have been grown by MBE. The IQE of the QDs has been deduced from temperature dependent and time resolved photoluminescence measurements. Room temperature IQE values around 5 to 10% have been found in the 290–320 nm range. QD-based UVB LEDs were then fabricated and characterized by electrical and electroluminescence measurements. On-wafer measurements showed optical powers up to 0.25 mW with external quantum efficiency (EQE) values around 0.1% in the 305–320 nm range.

We report the experimental study of the temperature dependence of the longitudinal spin relaxation time T1 of single nitrogen-vacancy (NV) centers hosted in nanodiamonds. To determine the relaxation mechanisms at stake, measurements of the T1 relaxation time are performed for a set of individual NV centers both at room and cryogenic temperatures. The results are consistant with a temperature-dependent relaxation process, which is attributed to a thermally activated magnetic noise produced by paramagnetic impurities lying on the nanodiamond surface. These results confirm the existence of surface-induced spin relaxation processes occurring in nanodiamonds, which are relevant for future developments of sensitive nanoscale NV-based quantum sensors.

Hexagonal boron nitride (hBN) is attracting tremendous interest as an essential component in van der Waals heterostructures due to its ability to provide weakly interacting interfaces and because of its large bandgap. Although most of theoretical calculations yield the standard AA′ stacking for few-layer hBN, the exact determination of its structural and electronic properties remains unrevealed to date. Here, we provide the direct observation of structural and electronic transitions in few layers of isotopically pure exfoliated h11BN flakes. Our nanoscopic angle-resolved photoemission spectroscopy measurements combined with density-functional theory calculations indicate that the stacking and the band structure can be strongly affected by the thickness of h11BN. Hence, we show that hBN presents an AA′ stacking in its bulk form and another more exotic stacking for three and four layers. Our findings open perspectives in understanding and controlling the stackings in hBN, which could be of great interest for optoelectronic applications.