Cette thèse participe au développement d’un combustible particulaire uranium-molybdène dans le cadre de la conversion des réacteurs de recherche de haute-performance en France et à travers le monde, à l’utilisation de combustibles faiblement enrichis (LEU : Low Enriched Uranium à opposer à HEU : High Enriched Uranium). Ce dernier se présente sous la forme d’une dispersion de particules uranifères U(Mo) dans une matrice à base d’aluminium et une question majeure persiste quant à l’interaction se produisant entre le composé U(Mo) et la matrice d’aluminium. En effet, il a été constaté que sous certaines conditions d’irradiation, cette interaction donne lieu à un gonflement instable de la plaque combustible qui résulte d’une percolation accentuée et imprévisible de bulles de gaz de fission à l’interface entre une couche d’interaction formée autour des particules U(Mo) et la matrice aluminium. Cette thèse s’est attachée à développer plusieurs solutions « remèdes » visant à modifier et/ou diminuer, voire inhiber l’interaction combustible/matrice et à améliorer la rétention des bulles de gaz de fission. Pour atteindre ces objectifs, deux voies ont été testées au cours de la thèse, (i) l’amélioration des propriétés microstructurales intrinsèques de l’alliage U(Mo) et (ii) la modification de l’interface âme combustible / matrice, par le dépôt de couches à effet barrière. En ce qui concerne le premier axe de recherche, une campagne de caractérisation des poudres de référence a, au préalable, été réalisée, permettant d’identifier des paramètres clés pour le développement de produits à microstructure « optimisée ». Deux produits innovants ont ainsi été développés puis soumis à caractérisation : une poudre atomisée-broyée et une poudre obtenue par magnésiothermie. Nous avons démontré que ces produits peuvent être un atout vis-à-vis de la problématique de rétention des bulles de gaz de fission. En ce qui concerne la problématique de la formation d’une couche d’interaction, un troisième produit, reposant sur le génie des procédés, a été développé : une poudre U(Mo) atomisée, revêtue d’une couche type alumine. Nous avons démontré qu’une couche comprise entre 100 et 200 nm permettait d’inhiber la croissance d’une couche d’interaction activée thermiquement. Nos recommandations finales ont ainsi pu être données en vue de la réalisation de tests d’irradiation « en-pile » pour la qualification d’un combustible U(Mo) optimisé. / This thesis enters in the Material and Testing Reactors (MTRs) framework where the necessity to use a Low-Enriched Uranium (LEU) fuel has led to the development of a dense fissile material based on U(Mo) alloys. The designed fuel is a composite material, made of dispersed U(Mo) particles embedded in an Al based matrix. Post-Irradiation Examinations of these LEU fuel plates showed that the irradiation behaviour of the fuel is not fit for purpose yet. This is mainly due to the growth of an interaction layer between the fuel and the matrix and to the bad gas retention efficiency of the fuel particles. This thesis had for purpose the development of several solutions in order to modify and/or decrease or even inhibit the fuel/matrix interaction and to increase the gas retention capacities of the fuel. In order to achieve so, two solutions have been tested during this thesis, (i) optimization of the U(Mo) alloy intrinsic microstructural properties and (ii) modificationof the fuel meat/matrix interface, through the deposition of a layer acting as a ''diffusion barrier''. Concerning the first axe of study, a characterization campaign of the reference powders has been realized, as a first step, in order to identify the key parameters for the development of products showing an “optimized” microstructure. Two novel products have then been developed: one based on a combined process associating “atomization + grinding” and another, which consists in a magnesiothermy process. These products were subject to characterization: X-Ray and neutron diffraction, electron backscattered diffraction and transmission electron microscopy have been performed in particular. We managed to show that these powders can be an advantage concerning the issue with the gas retention capacities of the fuel. Concerning the growth of the interaction layer, a third product, using process engineering, has been developed: an U(Mo) atomized powder, coated with an alumina like layer. We managed to show that a thickness between 100 and 200 nm of the layer allowed inhibiting the growth of a thermally activated interaction layer. Finally, our recommendations have been given in order to realize irradiation tests “in-pile” for the qualification of an optimized U(Mo) fuel.

Pour les futures applications en télécommunications 5G, des substrats à base de silicium présentant une faible perte de signal et une excellente linéarité sont nécessaires. Parmi les solutions envisagées, la technologie RF-SOI est la plus avancée. Son empilement contient une couche de Haute Résistivité (HR), riche en pièges pour les porteurs de charges, composée de silicium polycristallin (poly-Si) de haute pureté déposée sur l’oxyde natif d'un substrat HR (HR-Si). Ce système présente certaines limitations provenant essentiellement de l'interface HR-Si/SiO2 et de sa stabilité thermique, mais également de la résistivité insuffisante de la couche riche en pièges. L'objectif principal de cette thèse était d'explorer des approches innovantes pour résoudre ces difficultés tout en restant compatible avec la technologie silicium. Afin d’atteindre ces objectifs, du carbone a été ajouté dans le système au cours des différentes étapes d'élaboration: i) remplacement de la couche interfaciale de SiO2 par une couche mince de 3C-SiC et ii) ajout de carbone pendant le dépôt de poly-Si.En utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur à pression atmosphérique, des couches HR de poly-Si à l'état de l'art ont été déposée sur oxyde natif avec une épaisseur pouvant aller jusqu'à quelques dizaines de µm. Les résultats ont montré que la résistivité de la couche de poly-Si n'était pas directement dépendante de la taille moyenne des grains. Le remplacement de l'oxyde interfacial par une couche mince de mono- ou de poly-SiC, ainsi que l'adaptation des conditions de croissance ont permis d'atteindre des propriétés équivalentes à l'état de l'art des couches HR de poly-Si. Cet empilement a l'avantage d'être plus stable thermiquement en évitant la dissolution de la couche interfaciale. Cependant, ces améliorations sont accompagnées d’une chute de la résistivité à l’interface attribuée à la conductivité importante du matériau SiC. Par ailleurs, les propriétés de la couche HR et sa stabilité thermique peuvent être améliorées en dopant le poly-Si avec du Carbone, si une concentration adéquate de cette impureté est utilisée. L'insertion périodique de couches minces de SiC dans le poly-Si conduit à la stabilité thermique la plus élevée et à une augmentation de la résistivité moyenne de la couche. Néanmoins, des diminutions périodiques de la résistivité sont observées à chaque insertion de SiC / For future 5G telecommunication applications, Si-based substrates with low signal loss and excellent linearity are required. Among the envisaged solutions, RF-SOI is the most advanced. Its stack contains a High Resistivity (HR) Trap-Rich (TR) layer composed of high purity polycrystalline silicon (poly-Si) deposited on thin SiO2 native oxide of a HR-Si substrate (HR-Si). Some limitations of such system come from the HR-Si/SiO2 interface and its thermal stability, while increasing the resistivity of the TR-layer is also suited. The main objective of this thesis was to explore innovative approaches for solving these difficulties while staying Si-compatible. Towards this end, carbon was added in the system at different elaboration stages by i) replacing the SiO2 interfacial layer by 3C-SiC and by ii) C-engineering of the poly-Si layer during deposition.Using Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition technique, state-of-the-art poly-Si TR-layers were grown on native oxide with thickness up to few tens of µm. It was found that the resistivity of the poly-Si was not directly dependent on the average grain size. Replacing the interfacial oxide by a thin mono- or poly-SiC layer and adapting the growth process allowed reaching equivalent properties of the poly-Si with the benefit of superior thermal stability by avoiding the interfacial layer dissolution. But it is accompanied by the presence of a resistivity drop at the interface due to the conductivity of the SiC material. By doping the poly-Si with C, both the TR-layer properties and thermal stability can be improved when adequate concentration of this impurity is used. Periodic insertion of thin SiC layers inside the poly-Si led to the highest thermal stability and an increase of the layer mean resistivity while periodic resistivity reductions were observed at each SiC insertion

This doctoral thesis is focused on the preparation of graphene layers by Chemical Vapor Deposition (CVD) and their utilization for fabrication and characterization of field effect transistors. The theoretical part of the thesis deals with different methods of graphene production and measurement of its transport properties. In the first part of the experimental section the growth of polycrystalline graphene and individual graphene crystals with sizes up to 300 m is investigated. Further, graphene layer was also grown on an atomically flat copper foils, which were fabricated in order to achieve the growth of graphene of higher quality. Subsequently, the transport properties of field effect transistors produced from the grown layers were measured. The last two chapters deal with a doping of graphene layer by gallium atoms and X-ray radiation. Whereas the deposition of gallium atoms on the graphene surface causes chemical doping of graphene layer by charge transfer, X-ray irradiation of graphene field effect transistors induces the ionization of positively charged defects in dielectrics, which electrostatically dope a graphene layer.

This thesis focuses on the study of graphene application in electronics and technology of preparation. In addition to the basic properties of graphene, the theoretical part of the work also describes the methods of its preparation, transmission, characterization and possibilities of application in electronics. The experimental part is divided into three chapters. The first chapter deals with the production of graphene by deposition from the gaseous phase, its transmission and application in the field of solar cells. The Poly(methyl methacrylate) polymer was first used for transfer of graphene, which was later replaced by Rosin due to less contamination of graphene at the end of the transmission process. The second chapter deals with the preparation of quantum dots by exfoliation in the liquid phase from graphite and its application in voltammetry. Voltammetry was utilized in this work to detect hydrogen peroxide using a gold electrode modified by quantum dots from graphene and other dichalcogens (MoS2, MoSe2, WS2, WSe2). In the last chapter, the influence of the substrate and the deposition conditions of graphene is studied by means of a plasma-reinforced phase-out of gas to growth, while the prepared graphene was characterized by imaging and spectroscopic methods. The entire experimental growth of graphene was managed and evaluated using a planned experiment.

This diploma thesis is aimed on methods of the coating cutting material (cemented carbide, cermets, cutting ceramic, super hard materials) and evalutation individual method regarding technological posibilities of deposition of hard coatings a their mechanical, thermal and che-mical properties. The task of the work is full elaboration obtained technical knowledges and mainly evalutation a comparison of the work conditions (kind of the cutting materials, cutting conditions) that selected producers recomended for effective turning aplications of the coa-tings cutting materials.

Le graphène, plan d'atomes de carbone agencés en nid d'abeille, possède des propriétés physico-chimiques remarquables, en particulier une excellente mobilité électronique, qui en font un matériau d'avenir pour de nombreuses applications. Si la synthèse par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est une méthode prometteuse en vue d'une production de graphène de qualité à grande échelle, il reste difficile de contrôler les caractéristiques du graphène formé. L'objectif de ce travail expérimental est à la fois de développer la croissance de graphène par CVD à pression atmosphérique et température modérée (600°C à 900°C) sur un substrat de cobalt et d'analyser le graphène formé par des techniques d'analyse complémentaires afin de déterminer ses caractéristiques physico-chimiques et structurales.Une étude de l'influence de plusieurs paramètres de synthèse sur les caractéristiques du graphène formé (nombre de couches, taux de recouvrement, défauts et taille des domaines cristallins) a été réalisée. En utilisant des feuilles de cobalt commerciales et en travaillant à 850°C avec une forte vitesse de refroidissement et un apport faible en carbone, un film continu de graphène de trois couches a été obtenu. De plus, en étudiant la distribution des atomes de carbone dans le cobalt après synthèse, nous avons mis en évidence une concentration de carbone extrêmement élevée, environ 100 fois supérieure à la solubilité du carbone dans le cobalt à 850°C.L'influence du cobalt sur les caractéristiques structurales a été étudiée par diffraction des rayons X sur source synchrotron. Pour cela, du graphène a été synthétisé par CVD à pression atmosphérique sur des films minces de cobalt. L'étude structurale de ce système a révélé un empilement des feuillets de graphène de type graphite turbostratique et des domaines cristallins présentant deux orientations différentes par rapport au cobalt.L'étude du système graphène/cobalt est complétée par une analyse multi-techniques et localisée du graphène permettant d'analyser la même zone de graphène lorsqu'elle est sur cobalt puis sur SiO2, après transfert. La caractérisation est réalisée par microcopie et par spectroscopie Raman. L'influence du substrat de cobalt sur le graphène formé, notamment des contraintes mécaniques et du dopage électronique, est mise en évidence.Une étude de l'influence de plusieurs paramètres expérimentaux sur les caractéristiques du graphène formé (nombre de couches, taux de recouvrement, défauts et taille des domaines cristallins) a été réalisée. En utilisant des feuilles de cobalt commerciales et en travaillant à 850°C avec une forte vitesse de refroidissement et un apport faible en carbone, un film continu de graphène de trois couches a été obtenu. De plus, en étudiant la distribution des atomes de carbone dans le cobalt après synthèse, nous avons mis en évidence une concentration de carbone extrêmement élevée, environ 100 fois supérieure à la solubilité du carbone dans le cobalt à 850°C.L'influence du cobalt sur la croissance du graphène a été étudiée par diffraction des rayons X sur source synchrotron. Pour cela, du graphène a été synthétisé par CVD à pression atmosphérique sur des films minces de cobalt. L'étude structurale de ce système a révélé un empilement des feuillets de graphène de type graphite turbostratique. De plus, il a été montré que 95 % des domaines cristallins du graphène sont orientés à 20° ± 7° par rapport au cobalt tandis que 5 % des domaines est très bien orientée à 30° ± 0,6°.L'étude du système graphène/cobalt est complétée par une analyse multi-techniques et localisée du graphène permettant d'analyser la même zone de graphène lorsqu'elle est sur cobalt puis sur SiO2, après transfert. L'influence, notamment mécanique, du substrat de croissance sur le graphène formé est mise en évidence. / Graphene, a two-dimensional material composed of carbon atoms arranged in hexagonal lattice, has outstanding physical and chemical properties, i.e. its exceptional electronic mobility. This material is thus promising for many applications in the future. However, if chemical vapour deposition (CVD) is a very promising method for large-scale graphene growth , it is still very challenging to control graphene characteristics. The objective of this experimental work is both to develop graphene growth by CVD at atmospheric pressure and moderate temperature (600°C / 850°C) on cobalt and to analyse grown graphene with complementary techniques to determine its physical, chemical and structural characteristics.A study of the influence of different synthesis parameters on graphene characteristics (number of layer, coverage, defect and crystallite size) has been achieved. By combining the use of commercial cobalt foils with growth temperature of 850°C, a high cooling rate (100°C/min) and a low carbon supply, a continuous graphene film of three layers has been synthesized. Moreover, by measuring carbon distribution in the cobalt substrate after graphene growth, we have highlighted a carbon concentration about 100 times higher than carbon solubility in cobalt at 850 °C.The influence of cobalt on graphene structure was studied by X-ray diffraction using a synchrotron beamline. Prior to experiments, graphene was grown by CVD at atmospheric pressure on cobalt thin film. The structural study of this system has revealed a turbostratic stacking of graphene and two different orientations for graphene domains with respect to cobalt.The study of the graphene/cobalt system is completed by a multi-technique and localised characterisation of graphene which enables to analyse a same area of graphene when it is on cobalt and then after transfer on SiO2 substrate. Sample characterisation is based on microscopy and Raman spectroscopy. The influence of cobalt substrate on grown graphene, especially on mechanical strain and electronic doping, is highlighted.

Pursuing the development and implementation of novel synthesis techniques to produce nanostructures with an interesting set of properties is a goal that advances the frontiers of nanotechnology. Also of fundamental importance is to revisit well-established synthesis techniques employing a new set of materials as precursors, substrates and catalysts. Fundamental breakthroughs in the field of nanotechnology can be achieved by developing new synthesis procedures as well as by adapting known procedures to new materials. This thesis focuses on both kinds of experiments. A variant of chemical vapor deposition (CVD) has been used to produce Al5BO9 nanowires out of sapphire wafers without the need of a catalyst material. The novelty of the work relies on the formation mechanism of the Al5BO9 nanowires. Essentially, the process can be described as a large-scale topological transformation taking place on the substrate’s surface as its chemical composition changes due to the arrival of precursor molecules. Dense mats of Al5BO9 nanowires cover large areas of the substrate that were previously relatively flat. The process is enhanced by a high temperature and the presence of pre-existing superficial defects (cracks, terraces, etc.) on the substrates. Al5BO9 nanowires as well as B/BOX nanowires and BOX nanotubes were also produced via a novel in-situ electron beam-induced synthesis technique. The process was carried out at room temperature and inside a transmission electron microscope. Au nanoparticles were used as catalyst for the case of B/BOX nanowires and BOX nanotubes, while the Al5BO9 nanowires were synthesized without the need of a catalyst material. The formation and growth of the nanostructures is solely driven by the electron beam. The growth mechanism of the B/BOX nanowires and BOX nanotubes relies on interplay between electrostatic charging of the precursor material (to produce and transport feedstock material) and electron stimulated desorption of oxygen which is able to activate the catalytic properties of the Au nanoparticles. For the case Al5BO9 nanowires a nucleation process based on massive atomic rearrangement in the precursor is instigated by the e-beam, afterwards, the length of some of the nanowires can be extended by a mechanism analogous to that of the growth of the B/BOX nanowires.

Les composites SiC/SiC à renfort fibreux à base de SiC, et à matrice SiC sont développés pour applications aéronautiques. En vue d’améliorer leur durée de vie en atmosphère oxydante à haute température, l’utilisation d’interphase BN est préconisée,puisque l’oxyde de bore liquide permet de protéger le matériau. Cependant, sous atmosphère humide, la volatilisation de B2O3 sous forme d’hydroxyde HxByOz est non négligeable. L’objectif de ce travail est d’optimiser l’organisation structurale de BN élaboré par CVD/CVI, pour améliorer sa résistance à l’oxydation, et d’évaluer l’intérêt de l’ajout d’élément(s) au nitrure de bore permettant la stabilisation thermodynamique de B2O3 à haute température, en présence d’humidité. Ce travail a permis d’établir des liens entre composition chimique de la phase gazeuse, cinétique et mécanisme de dépôt, et degré d’organisation du nitrure de bore. Malheureusement, si la résistance à l’oxydation de BN augmente perpendiculairement à ses plans (002) avec son organisation structurale, elle est à peine améliorée le long des plans (002). Néanmoins, l’intérêt de l’ajout d’aluminium à l’interphase BN pour améliorer la stabilité chimique de B2O3 en présence d’humidité a été démontré à une température suffisamment élevée pour permettre la formation de cristauxAl4B2O9. Ainsi, il semble que ces cristaux permettent une cicatrisation efficace des fissures matricielles dans des composites SiC/SiC. Des essais supplémentaires d’oxydation dans des conditions plus complexes, comme sous cyclage thermique, sont nécessaires pour conclure catégoriquement en faveur de l’amélioration de la durée de vie de ces matériaux. / SiC/SiC composites with SiC-based fibres and SiC matrix are developed for aeronautic applications. In order to improve their life time in an oxidizing atmosphere at high temperature, the use of BN interphase is recommended, as far as liquid boron oxide can protect the material. However, this glassy material is known to be very sensitive to moisture because boron oxide volatilizes quickly under high temperature. The aims of this work are (i) to maximise the structural organization of BN deposited by CVD/CVI to improve its oxidation resistance and (ii) to assess the interest of elemental addition to boron nitride allowing thermodynamic retention for B2O3 under wet air. Relationships between gas phase composition, deposition rates, and microstructure have been established in this work. Unfortunately, if the oxidation resistance of BN perpendicular to its (002) crystal planes increases with its structural organization, it appears to be hardly improved along the (002) planes. Nevertheless, aluminium addition to BN has led to Al4B2O9 crystals generation, asAl2O3 reacts together with B2O3 under high temperature. These materials therefore appear tobe able to seal SiC matrix cracks. As a result, the global oxidation resistance under wet air of SiC/SiC composites with B(Al)N interphases can been significantly improved. Additional oxidation tests, especially under thermal cycling, are needed to definitively conclude about this point.

Graphene and Carbon nanotubes (CNTs) have been researched for more than a decade due to their extraordinary properties and advantages towards applications like electronics, structural re-enforcements, thermal management and energy storage. Graphene-CNT hybrid structures have been predicted to further enhance the exceptional properties and overcome some of the shortcomings of the individual materials. Advantages of a structure consisting of vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) covalently bonded with graphene layers have been predicted to be especially favourable for applications like TIM, supercapacitors and battery electrodes. This project investigates two growth mechanisms for obtaining Graphene-VACNT structures using scalable processes. Shortcomings of previously done research on similar structures like graphene transfer and bad CNT alignment is solved. A novel growth mechanism is also investigated to set the foundation for research into a new approach to grow Graphene-CNT hybrid structures in the future. Chemical Vapor Deposition (CVD) was the method used to grow the graphene and CNT structures. The characterization was done using optical microscopy, Scanning electron microscopy (SEM) and Raman spectroscopy. / Grafen- och kolnanorör (CNT) har forskats i mer än ett decennium på grund av deras extraordinära egenskaper och fördelar gentemot applikationer som elektronik, strukturförstärkning, termisk hantering och energilagring. Grafen-CNT hybridstrukturer har förutspåtts ytterligare förbättra de exceptionella egenskaperna och övervinna några av bristerna i de enskilda materialen. Fördelar med en struktur som består av vertikalt inriktade kolnanorör (VACNT) som är kovalent bundna med grafenskikt har förutspåtts vara särskilt fördelaktiga för applikationer som TIM, superkondensatorer och batterielektroder. Detta projekt undersöker två tillväxtmekanismer för att erhålla Graphene-VACNT-strukturer med hjälp av skalbara processer. Brister i tidigare utförd forskning om liknande strukturer som grafenöverföring och dålig CNT-anpassning är lösta. En ny tillväxtmekanism undersöks också för att lägga grunden för forskning om ett nytt tillvägagångssätt för att växa Graphene- CNT hybridstrukturer i framtiden. Chemical Vapor Deposition (CVD) var metoden som användes för att odla grafen- och CNT-strukturerna. Karakteriseringen gjordes med optisk mikroskopi, Scanning electron microscopy (SEM) och Raman-spektroskopi.

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