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Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail présente l’application et l’optimisation du procédé de nanocristallisation superficielle (Surface Mechanical Attrition Treatment ou SMAT) et du procédé duplex SMAT/nitruration sur l’alliage de titane Ti6A14V utilisé en chirurgie orthopédique. Le SMAT permet d’améliorer les propriétés mécaniques d’un matériau grâce à la formation d’une couche déformée en surface composée de très petits grains. Le procédé de nitruration quant à lui, augmente la résistance à l’usure d’un matériau par diffusion d’azote et création de nitrures à la surface d’un matériau. La comparaison de la résistance à l’usure du Ti6Al4V traité par différentes conditions de SMAT et de nitruration ont permis de restreindre l’étude à une condition (nommée C1). Ainsi, les mesures de rugosité ont montré une diminution de la rugosité des échantillons traités par SMAT (avec et sans nitruration) ainsi qu’une augmentation de la dureté en surface. Dans un deuxième temps, nous avons mis au point une méthodologie pour caractériser la microstructure des échantillons traités par SMAT C1 et traités par SMAT-nitrurés par microscopie électronique (MEB et MET). Ces études ont révélé que le traitement SMAT crée une zone déformée d’environ 60 μm avec des grains plus petits que dans le Ti6A14V brut, avec notamment des grains de 50 nm de diamètre en extrême surface. Lorsque le SMAT est couplé à la nitruration à basse température (375°C), l’épaisseur de la couche nitrurée diminue jusqu’à 20 μm tout en conservant des fins grains. En revanche, à haute température (730°C), la microstructure du SMAT est remplacée par des gros grains et des analyses par DRX indiquent que des nitrures se sont formés. L’augmentation de la dureté constatée peut être soit liée à la nanocristallisation générée par le SMAT, soit à la présence de nitrures à haute température. Enfin, des tests préliminaires de biocompatibilité indiquent que le Ti6A14V traité par SMAT reste biocompatible puisque les cellules MG 63 utilisées ont adhéré et proliféré sur les échantillons traités par SMAT. Nous avons également exploré la possibilité d’améliorer la biocompatibilité du Ti6A14V en le revêtant de matériaux bioactifs comme l’hydroxyapatite (HAP) ou le bio verre. / This work presents the application and the optimization of the surface nanocrystallization process (Surface Mechanical Attrition Treatment or SMAT) and the duplex SMAT/nitriding process to the titanium alloy Ti6A14V used in orthopedic surgery. On the one hand, the SMAT improves the mechanical properties of a material through the formation at the surface of a deformed layer composed of very small grains. The nitriding process increases the wear resistance of a material by diffusion of nitrogen and creation of nitrides in the surface of a material. The comparison of wear resistance of Ti6A14V treated by different conditions of SMAT and nitriding has allowed us to limit our study to the condition referred to as C1. Thus, roughness measurements showed a decrease of roughness and an increase in hardness of the surface for the C1-SMAted and SMATed/nitrided samples compared to untreated Ti6A14V. In a second step, we have developed a methodology to characterize the microstructure of C1 SMATed and SMAT-nitrided samples by electron microscopy (SEM and TEM). These studies revealed that the C1 treatment created a deformed area of about 60 μm thick with smaller grains than the untreated Ti6Al4V samples, in particulars with about 50 nm diameter grains in the extreme surface. When SMAT and low temperature nitriding (375 ° C) were combined, the thickness of the deformed layer decreased to 20 μm but the small grains remained. On the contrary, at high nitriding temperatures (730 °C), the microstructure of SMAT was replaced by coarse grains whilst XRD analyses indicated that nitrides formed. We assume that the improvement in hardness is either related to the nanocrystallization generated by SMAT or to the presence of nitrides at 730 ° C. Finally, preliminary biocompatibility tests have indicated that SMATed Ti6Al4V is biocompatible since the MG-63 cells we used adhered and proliferated on SMATed surfaces. Additionally, we have also explored the coating of Ti6A14V with bioactive materials (hydroxyapatite and bioglass) to improve its biocompatibility.

Depuis sa prédiction, le transfert de spin est devenu un sujet de recherche important et certaines applications ont déjà été commercialisées. Cependant, ce domaine laisse encore de nombreuses questions quant aux processus physiques mis en jeu. Notre travail s'est consacré à l'étude de la dynamique d'aimantation sous l'effet de transfert de spin dans des vannes de spin avec une aimantation perpendiculaire au plan, ces dernières présentant une meilleure efficacité. Pour cela, nous avons dans un premier temps développé un programme de simulation macrospin que nous avons par la suite confronté aux résultats expérimentaux. Notre étude s'est d'abord focalisée sur les diagrammes d'état champ-courant, qui donnent une perspective globale du comportement de l'aimantation. Nous avons pu montrer que le champ extérieur ou l'anisotropie sont capables de briser la symétrie du système et ainsi expliquer la différence entre prédictions et observations. Nous avons ensuite mis en évidence des états cantés, qui sont des états où l'aimantation est figée à un angle précis. La dernière partie de cette thèse fut consacrée à la dynamique d'aimantation à différentes échelles de temps de la seconde à la centaine de picosecondes. C'est ainsi que nous avons pu constater les limites du modèle macrospin, incapable d'expliquer les résultats expérimentaux. Nous nous sommes alors tournés vers un modèle micromagnétique, et avons pu montrer qu'il permet de mieux décrire les résultats expérimentaux / Ever since its prediction, spin transfer has spawned a lot of interest, and some applications have already been commercialized. However the spin transfer effect is still not fully understood. This thesis focused on magnetization dynamics and spin transfer effect in spin valves with out of plane magnetization, proven to be more efficient. With this in mind, we developped a software simulating magnetization dynamics in spin valve. We then confronted the software with experimental results to check our model and its hypotheses veracity. Another part of this thesis was to study current-field state diagrams, which offer a global perspective on magnetization behavior. We managed to show the applied field and the anisotropy could produce a symmetry breaking of the system and thus explain the experimental results. We were also able to highlight canted states of the magnetization. Those are frozen states of the magnetization for certain angles. The last part describes magnetization dynamics at different time scales from a second to a hundred picoseconds. We showed the macrospin model is not appropriate for short current pulses, although we could highlight the influence of some parameters. We finally the micromagnetics model allowed for a better description of the experimental results

L’étude de réactions chimiques, tout comme le calcul de propriétés thermodynamiques, sont des enjeux capitaux de la chimie moderne. L’évolution des instruments et techniques expérimentales permet des mesures de plus en plus précises de ces grandeurs, pour des systèmes de plus en plus complexes. L’intérêt croissant pour l’étude du milieu interstellaire et des atmosphères planétaires se révèle également être un défi très important dans les décennies à venir. Les difficultés rencontrées lors de l’analyse de ces expériences (ou mesures), nécessitent souvent l’intervention de simulations numériques de manière à éclairer ces observations. Une autre utilisation du calcul est de prédire des paramètres moléculaires et spectroscopiques d’espèces instables difficiles à produire au laboratoire. Les outils actuels de la chimie théorique ab initio sont des moyens précieux pour la prédiction et l’interprétation de résultats expérimentaux ou de mesures astrophysiques et atmosphériques. Ces techniques de simulation ont connu des développements importants au cours des dernières décennies. Les progrès récents en matière de calculs d’interaction de configurations de grande taille permettent d’inclure une grande partie de l’énergie de corrélation. Le temps de calcul et la taille mémoire des ordinateurs restent cependant des limites importantes qui ne permettent pas d’effectuer des interactions de configurations totales dans une base suffisamment grande pour contenir la physique des systèmes étudiés au delà de petites molécules. Cet état de fait conduit à s’intéresser à des méthodes moins coûteuses comme celles des perturbations, les interactions de configurations tronquées et le Coupled Cluster, permettant d’inclure une partie de la corrélation électronique à un coût moins élevé en temps de calcul. Ce sont ces méthodes qui ont été utilisées dans ce travail pour déterminer théoriquement les paramètres moléculaires et spectroscopiques des systèmes MgO, MgO+, FeC2, FeC2+ et FeC2- avec le maximum de précision possible.Dans un premier temps, nous avons étudié la molécule MgO. C’est un système de choix car, il permet de s’initier aux méthodes de calcul ab initio sur les systèmes moléculaires les plus simples (diatomiques), de tester et de comprendre ces méthodes (différentes approximations, validité, précision, …) et de bien interpréter les résultats obtenus (formation de la liaison chimique et des états moléculaires, leur symétrie, leurs couplages, leur stabilité, leur spectroscopie, …) surtout qu’il a fait l’objet de plusieurs études théoriques et expérimentales. Pour profiter de notre savoir-faire pour les molécules diatomiques nous avons étudié le système MgO+ qui a fait l’objet de notre deuxième article que sera présenté en annexe.Dans un second temps, nous avons visé les systèmes moléculaires de type FenCm afin de comprendre la croissance et la dynamique des nanotubes de carbone catalysée par le Fer. Le système diatomique FeC fait l’objet de plusieurs études théoriques et expérimentales. La plus récente est celle fourni par Demeter Tzeli et Aristides Mavridi. Cette étude théorique a caractérisé son état fondamental ainsi que les 40 états électroniques les plus bas, à toutes les distances internucléaires jusqu’à la dissociation, et d’autre part de fournir des données spectroscopiques d’une précision comparable à celle donnée par l’expérience. Pour les systèmes d’ordre supérieur, confronté par le problème que ces petits systèmes moléculaires constitués de Fer et de Carbone ont des structures électroniques très compliquées, notre étude s’est limitée à l’étude des systèmes FeC2, FeC2+ et FeC2- / The study of chemical reactions, as well as the calculation of thermodynamic properties are critical issues of modern chemistry. The development of experimental techniques and instruments allows measurements more accurate these quantities for systems more complex. The growing interest in the study of the interstellar medium and planetary atmospheres is also proving to be a major challenge in the coming decades. The difficulties encountered in the analysis of these experiences (or measures) often require the intervention of numerical simulations to clarify these observations. Another use of the calculation is to predict molecular and spectroscopic parameters of unstable species are difficult to produce in the laboratory.Current tools of theoretical chemistry ab initio are valuable tools for the prediction and interpretation of experimental results or astrophysical measurements and atmospheric. These simulation techniques have experienced significant developments in recent decades. The recent progress in calculations of interaction of large configurations can include a large part of the correlation energy. The computation time and memory size of computers, however, remain significant limitations that do not allow to perform configuration interaction in a total base large enough to hold the physical systems studied beyond small molecules. This fact led to interest in cheaper methods such as disruption, the truncated configuration interaction and coupled cluster, allowing to include a portion of electron correlation at a lower cost in computation time. These are methods that have been used in this work to determine theoretically the molecular parameters and spectroscopic systems MgO, MgO +, FEC2, FEC2 + and FEC2-with maximum accuracy.As a first step, we studied the MgO molecule. It is a system of choice because it allows you to learn the methods of ab initio calculations on molecular systems the simplest (diatomic), test and understand these methods (different approximations, validity, accuracy, ...) and to properly interpret the results (formation of chemical bonding and molecular states, their symmetry, their interactions, their stability, spectroscopy, ...) especially since it has been the subject of several theoretical and experimental studies. To take advantage of our expertise for diatomic molecules we have studied the system MgO + has been our second article will be presented in the appendix.In a second step, we targeted molecular systems FenCm like to understand the growth and dynamics of carbon nanotubes catalyzed by iron. Diatomic system FeC been several theoretical and experimental studies. The most recent is provided by Demeter Tzeli and Aristides Mavridi. This theoretical study has characterized its ground state and the 40 lowest electronic states at all internuclear distances up to dissociation, and secondly to provide spectroscopic data with an accuracy comparable to that given by the experiment. For higher-order systems, the problem faced by these small molecular systems composed of iron and carbon have very complicated electronic structures, our study is limited to the study of systems FEC2, FEC2 + and FEC2-

Les propriétés physiques des systèmes dépendent fortement de la dimensionnalité. L'exaltation des corrélations électroniques, la séparation spin charge dans le liquide de Luttinger et les ondes de densité de charge en sont des exemples. Les surfaces semiconductrices avec une dimension réduite servent à étudier la corrélation électronique, elles sont favorables à présenter des transitions de Mott avec leurs états de surface peu dispersifs, ainsi que la manière de découpler les états électroniques de nanostructures du substrat dans la recherche de propriétés électroniques singulières / Not available

Le développement de la recharge sans contact de batteries comporte divers avantages pour les véhicules électriques. Cette solution est facile à utiliser, robuste et résistante aux intempéries par rapport aux câbles généralement utilisés. Le principe est basé sur le couplage magnétique entre un émetteur et un récepteur. L'objectif de cette thèse est de contribuer à proposer une norme pour permettre l’interopérabilité, c’est-à-dire, permettre à plusieurs émetteurs de fonctionner avec des récepteurs de différents fournisseurs. Comme le système doit aussi être tolérant au positionnement et doit respecter les recommandations concernant l’exposition humaine, de nombreuses configurations doivent être envisagées. Dans cette thèse, une modélisation avancée et fiable du système complet est proposée. La méthode des éléments finis est exploitée pour déterminer les caractéristiques électriques du coupleur inductif (inductances propres et mutuelles, facteur de couplage) dans différentes configurations de positionnement et d’interopérabilité. Ces valeurs permettent le dimensionnement du convertisseur à résonance. A ce stade différentes topologies de compensation sont considérées. Un modèle analytique au premier harmonique est mis en œuvre pour comparer les topologies et déterminer la fréquence de résonance globale du système. Un modèle circuit du système complet est ensuite développé pour évaluer précisément les courants et tensions. Enfin, un algorithme de régulation basé sur une méthode MPPT (Maximum Power Point Tracking) est évalué pour le réglage automatique de fréquence. A partir des courants calculés à la fréquence de résonance pour un point de fonctionnement nominal et grâce au modèle éléments finis incluant le châssis du véhicule le champ magnétique rayonné est calculé et comparé aux valeurs limites recommandées. A chaque étape de la modélisation, la sensibilité du système aux paramètres de configuration (positionnement, interopérabilité) est analysée. Des mesures effectuées au niveau du coupleur inductif et sur le système complet sont aussi utilisées dans l’analyse et permettent de valider le modèle / Development of contactless battery charging is an opportunity for electric vehicles. Compared to regular plugin cables, this solution is easy to use, robust and weather resistant. The power is transferred thanks to the magnetic coupling of inductive coils and a reduced magnetic circuit. The aim of this thesis is to contribute to propose a standard that would make possible to couple emitters with receivers from different suppliers, that is, to insure interoperability. As the system should also be tolerant to positioning and should respect human exposure recommendations, many configurations must be tested. In this thesis, an advanced and reliable modeling of the whole system is proposed. Using the finite element methods, the electrical characteristics (self, mutual inductances and coupling factor) of the inductive coupler are computed for different geometric and interoperability configurations. These values allow the dimensioning of the resonant converter. At this stage, different compensation topologies are considered. It is shown that the global resonant frequency can be derived and the topologies compared from a classical first harmonic approximation and analytical model. Then, a circuit model of the full system is developed in order to evaluate precisely the currents and voltages. Finally, the performance of a Maximum Power Point Tracking as frequency regulation algorithm is evaluated. From the currents computed at resonant frequency for the nominal operating point and the finite element model of the coupler, including the chassis of the vehicle, the radiated magnetic field is evaluated in order to check safety compliance. At each step of the modeling, the sensitivity of the system to the configuration parameters (positioning, interoperability) is analyzed. Measurements at the coupler level and for the full system are also used in this analysis and allow validating the model