Dans cette thèse, les interactions magnétoélectriques et optomagnétiques transmises par les contraintes dans les structures ferroélectriques/ferromagnétiques sont étudiées. Nous montrons que la dynamique des déformations du Pb(ZrxTi1-x)O3 aboutit à la manipulation électrique sous-coercitive de multi-états ferroélastiques rémanents. La mesure par une jauge résistive de ces états, ainsi que l'écriture et l'effacement électriques et le stockage ferroélastique, sont démontrés. La configuration des contraintes de matériaux ferroélectriques créée électriquement, permet de modifier l'anisotropie magnétique d'une couche ferromagnétique. Ce phénomène est utilisé pour contrôler le champ magnétique coercitif des composants magnétostrictifs des vannes de spin au moyen des déformations. L’irradiation lumineuse est également utilisée pour entraîner une photostriction rémanente dans le BiFeO3. Cette déformation rémanente est transférée à une couche ferromagnétique et permet un contrôle optique de la coercivité magnétique. Nous montrons comment les états magnétiques peuvent être écrits au moyen de la lumière et effacés par un champ électrique. / In this thesis, the strain-mediated magnetoelectric and optomagnetic interactions in ferroelectric/ferromagnetic structures are studied. The strain dynamics in Pb(ZrxTi1-x)O3 is shown to result in the sub-coercive electrical manipulation of its remanent ferroelastic multi-states. The resistive readout of these states provided by the strain gauge layers, together with the electrically-triggered ferroelastic writing, storage, and erasing, are demonstrated. These strain configurations created by electric fields in ferroelectrics can effectively impact the magnetic anisotropy of a ferromagnetic adlayer. This phenomenon is shown to control the magnetic coercive field of the magnetostrictive components of spin valves via the strain. Light irradiation is shown to result in remanent photostriction effect (photo-driven deformation) in BiFeO3. Such optically-induced remanent deformations can be transferred to a ferromagnetic adlayer and result in the optical control of the magnetic coercive force. It is shown here how magnetic states can be written by light and erased by an electric field.

Le sujet de cette thèse concerne la spintronique moléculaire. Des jonctions tunnel magnétiques formées par une barrière tunnel moléculaire (monocouche auto-assemblée) insérée entre deux électrodes métalliques ferromagnétiques ont été étudiées. Afin de fabriquer les dispositifs, un procédé de greffage des molécules sur des substrats ferromagnétiques a été mis en place et une technique de lithographie a été développée pour définir des jonctions de taille submicronique. L’ensemble de ce travail expérimental a permis l’obtention de jonctions non court-circuitées et mesurables, où le transport électronique est bien du transport par effet tunnel.Les mesures de magnétotransport de ces échantillons ont amené des résultats intéressants et nouveaux : les jonctions, dont la barrière est formée par des alcanes-thiols, présentent de la magnétorésistance à température ambiante, allant jusqu’à 12%. Une partie de la thèse s’attelle à la compréhension des différents comportements magnétorésistifs observés : un modèle de barrière tunnel à deux niveaux est proposé pour les décrire.La dernière partie du travail présente des résultats préliminaires obtenus lorsque la barrière moléculaire est formée par des molécules aromatiques ou commutables et met en évidence des phénomènes nouveaux par rapport au cas précédent.L’ensemble des résultats prouve le fonctionnement de jonctions tunnel magnétiques à base de monocouches moléculaires à température ambiante et ouvre la voie à l’utilisation de molécules plus complexes pour une électronique de spin moléculaire multifonctionnelle. / This thesis work enters within the molecular spintronic fields. Magnetic tunnel junctions based on molecular self assembled monolayers have been investigated. The devices structure is a molecular monolayer inserted between two ferromagnetic electrodes.A process to graft molecules on a ferromagnet’s surface and a lithography technique have been developed to define the junctions. This experimental work has led to non short-circuited and measurable junctions, in which an electronic tunnel transport has been demonstrated.Interesting and new results have been found out from magnetoresistance measurement of the samples: junctions made with alkanes-thiols barrier have shown magnetoresistance signal at room temperature (up to 12%). In order to explain the magnetoresistive behaviour, a simple model where the barrier is discribed by two levels has been proposed.The last part of the thesis reports preliminary results obtained when the barrier is made of aromatic molecules or switchable molecules and it points out new phenomenons compared to the alkanes case.The overall work proves that devices made from magnetic tunnel junctions with self-assembled monolayers work at room temperature. It is then possible to consider switchable molecules to build multifunctional molecular spintronics devices.

La théorie de Poisson-Boltzmann décrit l’électrostatique de solutions ioniques. Le calcul de l’énergie libre électrostatique présente cependant plusieurs limites.L’énergie libre de Poisson-Boltzmann est concave. Quand le modèle est complété par d’autres degrés de libertés, l’estimation de l’énergie libre devient une recherche de point-de-col, opération numérique complexe. À l’aide de la transformée de Legendre, nous écrivons une fonctionnelle équivalente, convexe et définie localement. Un algorithme classique de minimisation est utilisé, et, comparé à d’autres procédés numériques, il présente une meilleure convergence.La théorie de Poisson-Boltzmann est une approximation de champ moyen. À l’aide de la théorie de champ variationnel, nous ajoutons les fluctuations et les corrélations du champ électrostatique. Les équations sont résolues numériquement. Nous montrons que la constante de couplage possède une limite théorique, au delà de laquelle les équations n’ont pas de solution.Les plaquettes sanguines ont un rôle essentiel dans l’hémostase. Nous étudions le flux de plaquettes dans un micro-canal greffé de protéines liantes. Nous développons deux modèles. L’un considère le roulement des plaquettes, l’autre est centré sur l’échange de cellules entre le volume et la surface. Ces modèles sont en accord avec les résultats expérimentaux mais pas en complète adéquation. Nous en concluons que le comportement de roulement et le mécanisme d’échange devraient être considérés simultanément pour décrire ce système. / Poisson-Boltzmann theory gives a good description of the electrostatics of ionic solutions. The estimation of the electrostatic free energy presents limits of different kinds.The Poisson-Boltzmann free energy is concave. When it is supplemented with other degrees of freedom, finding the free energy translates into a saddle-point search. Using the Legendre transform, we write an equivalent, convex and locally defined functional. A classical minimum search is used and, compared to other numerical schemes, it gives a better convergence.The Poisson-Boltzmann theory is a mean-field approximation. Using the variational field theory, we include the fluctuations and correlations of the electrostatics. The equations are solved numerically. We show that a theoretical limit exists for the coupling constant, beyond which the equations have no solution.Platelets are essential to the stop of blood loss. The flow of platelets in a microfluidic chamber coated with binding proteins is studied. We develop two models. One focuses on the rolling speed, the other on the exchange between the volume and the grafted surface. Both models can match the experiments partially but not thoroughly. We conclude that both behaviors should probably be considered at once to describe the system fully.

La démarche expérimentale menée dans cette thèse a eu comme objectif l'étude de la faisabilité de la séparation électrostatique d'une large gamme de mélanges de matériaux pulvérulents provenant du recyclage des déchets (Al, Cu, ABS, polycarbonate, polystyrène) ou de l'industrie agro-alimentaire (paille, copeaux de bois, semoule). Les recherches se sont focalisées sur des techniques faisant appel à trois mécanismes physiques différents pour la charge des matériaux : la décharge couronne, l'induction électrostatique et l'effet tribo-électrique. Deux nouvelles installations ont été conçues et réalisées, permettent de faciliter la compréhension des phénomènes physiques rencontrés lors de la séparation des particules sous-millimétriques, dont les trajectoires sont difficile à contrôler, en raison des importantes forces aérodynamiques en jeu. La première installation, le séparateur électrostatique multifonctions à électrode-convoyeur, donne la possibilité d'étudier un ou plusieurs des trois mécanismes de charge, en rapport avec les propriétés électriques des matériaux à traiter. La deuxième installation, le séparateur tribo-aéro-électrostatique à électrodes-disques-tournantes, utilise seulement l'effet tribo-électrique pour la charge des matériaux isolants dans un lit fluidisé. Le système de mesures simultanées et continues de la masse et de la charge électrique des produits collectés a facilité l'analyse des phénomènes. Les recherches ont permis de confirmer la séparabilité électrostatique des mélanges de matériaux pulvérulents, en faisant appel à la méthodologie des plans d'expériences pour identifier les facteurs influents et trouver le point de fonctionnement optimal. / The experimental approach undertaken in this thesis was aimed at the study of the feasibility of the electrostatic separation of a wide range mixtures of powdery materials originating from the recycling of waste electric and electronic equipment (Al, Cu, ABS, polycarbonate, polystyrene), or processed in the food industry (straw, wood chips, meal). Researches were focused on techniques using three different physical mechanisms for electrical charging of the materials: corona discharge, electrostatic induction and triboelectric effect. Two new installations have been designed end engineered to facilitate the understanding of the physical phenomena involved in the separation of powdery particles, the trajectories of which are difficult to control, as strongly affected by the aerodynamic forces. The first installation, the belt-type multifunction electrostatic separator, offers the possibility to study one or several of the three charging mechanisms, in relation with the electrical properties of the materials to be processed. The second installation, two-rotating-disks-type tribo-aero-electrostatic separator uses only the triboelectric effect for charging mixtures of insulating materials in a fluidized bed. A system of simultaneous and continuous measurement of mass and electric charge of collected products facilitated the investigation of the physical phenomena. These researches confirm the feasibility of the electrostatic separation of powdery materials, by taking advantage of the design of experiments methodology to identify the influential factors and find the optimum operation conditions.

L'objectif de cette thèse a été d'explorer la possibilité d'utiliser la charge électrostatique pour améliorer les conditions de contact glissant sec ou lubrifié (deux huiles avec viscosités différentes et de l’eau distillée) entre matériaux polymériques (PP, PE, PS, ABS et deux types de PVC). Trois nouvelles installations expérimentales ont été conçues et réalisées. La première installation est un tribomètre linéaire qui permet le réglage de quatre variables de contrôle du processus de charge (la force normale, la vitesse, la durée et l’amplitude du mouvement de glissement) et la mesure de trois caractéristiques du régime de frottement (la force tangentielle, la variation de la force normale et le déplacement relatif entre les éprouvettes). La deuxième installation est un dispositif pour mesurer la distribution de la charge électrique de surface et la corréler avec des cartographies de température. Une troisième installation est destinée à l'étude de l’influence de la charge électrique sur l’angle de contact de gouttelettes déposées en surface. Les expériences réalisées ont montré que le niveau de la charge généré par frottement sec dépend du temps de frottement, de l’usure, de la pression de contact et de la rugosité des surfaces. Une charge générée par effet triboélectrique ou par décharge couronne peut augmenter le frottement à sec. En revanche, la présence d’une charge électrique à la surface du polymère améliore le frottement lubrifié. Les mesures d’angles de contact ont mis en évidence que celui-ci dépend de la nature du liquide et du polymère étudiés, ainsi que de l’état de charge électrique des échantillons. / The approach undertaken in this thesis is to explore the possibility of using the electrostatic charge to improve the dry or lubricated (two oils with different viscosity and distilled water) sliding contacts between polymeric materials (PP, PE, PS, and ABS, two types of PVC). Three experimental benches were designed and built. The first installation is a linear tribometer designed to study the sliding contacts between solids with dry or lubricated friction. It allows the adjustment to four control variables of the tribocharging process: normal force, sliding speed, time and stroke, and the measurement of three characteristics of the friction regime: the tangential force, the variation of the normal force and the relative displacement between the specimens. The second installation is a device for measuring the distribution of the surface electrical charge, and for correlating it with the temperature mappings. A third installation is designed to study the influence of the electric charge on the contact angle of droplets deposited on the surface. The experiments showed that the level of the charge generated by dry friction depends on the friction time, the wear, the contact pressure and the roughness. A charge generated by friction or by corona discharge can increase dry friction. On the other hand, the presence of electric charge on the surface of polymers can improve a lubricated contact. The contact angle measurements pointed out the influence of the nature of both solid and liquid materials involved in the contact, as well as of the electric charge of the samples.

La démarche expérimentale menée dans cette thèse CIFRE a eu comme objectif l’étude de la faisabilité de la séparation électrostatique d’une large gamme de mélanges de matériaux granulaires issus de déchets d’équipements électriques et électroniques (conducteur – isolant, conducteur – conducteur et isolant – isolant). Trois mécanismes physiques de charge électriques ont été mis en oeuvre : l’induction électrostatique, la décharge couronne et l’effet triboélectrique. Un dispositif de charge de laboratoire et deux séparateurs électrostatiques industriels ont été conçus et réalisés. Le dispositif de charge à cylindre(s) tournant(s) permet la charge triboélectrique de matériaux plastiques. Le prototype de séparateur industriel a d’abord été réalisé pour le traitement de mélanges granulaires conducteur – isolant puis a été adapté à la séparation isolant – isolant. Les trois mécanismes de charge peuvent y être utilisés. Ce prototype a permis la fabrication du premier séparateur électrostatique de série de la société CITF dédié à la séparation de déchets de câbles électriques. Des mesures de charge et de masse ainsi que des simulations et visualisations des trajectoires des particules par caméra rapide ont facilité l’analyse des phénomènes. La méthode des plans d’expérience a permis d’identifier les facteurs influents sur les processus de séparation et de définir leur point de fonctionnement optimal. L’influence d’une décharge à barrière diélectrique sur la charge triboélectrique et la séparation électrostatique de mélanges plastiques a été étudiée. Les travaux réalisés dans cette thèse ont confirmé la séparabilité électrostatique de mélanges de matériaux granulaires. / The experimental approach used in this thesis was aimed at the study of the feasibility of the electrostatic separation of a wide range of granular mixtures from waste electric and electronic equipment (conductive – insulator, conductive – conductive, insulator – insulator). Three physical mechanisms of electrical charging have been employed: electrostatic induction, corona discharge and triboelectric effect. A tribocharging device and two industrial electrostatic separators have been designed and engineered. The rotating cylinder tribocharging device allows the triboelectric charging of plastics. The industrial separator prototype was firstly built for processing conducting – insulator granular mixtures and then adapted for insulator – insulator separation. This prototype, which enables the use of all three electrical charging mechanisms, served as model for the CITF company first industrial electrostatic separator for the recycling of metals and plastics from electric cable wastes. Charge and mass measurement, as well as modelling and visualization of particle trajectories by a high-speed camera facilitated the investigations. Design of experiments method was used to define the influential factors and find the optimum operating conditions of the separation processes. Dielectric barrier discharge exposure of granular plastics may enhance the efficiency of the triboelectric charging of these materials and hence facilitate their electrostatic separation. These researches have confirmed the feasibility of the electrostatic separation of a wide variety of granular mixtures.

Plusieurs types de dispositifs mécaniques (à vibration, à cylindre tournant, à lit fluidisé) mettant en jeu l'effet triboélectrique sont actuellement utilisés pour charger électriquement les constituants des mélanges de matériaux isolants granulaires, en vue de leur séparation dans un champ électrique intense. La non-uniformité de la charge des granules à la sortie de ces dispositifs affecte l'efficacité de la séparation, d'où l'intérêt des recherches visant la mise au point de procédés électrostatiques nouveaux, notamment pour des applications dans le domaine du recyclage des déchets. L'utilisation simultanée de l'effet triboélectrique, de la force de Coulomb et de la force d'image électrique est la solution innovante selon laquelle ont été conçus les quatre dispositifs à lit fluidisés réalisés ou améliorés dans le cadre de cette thèse. L'évaluation des performances de ces dispositifs a été rendue possible par la mise en oeuvre de systèmes de mesure complexes, permettant l'enregistrement continu et simultané des charges et des masses des produits de la séparation. Ainsi, la méthode des plans d'expériences pour surfaces de réponse a pu être utilisée pour modéliser le processus de séparation et déterminer les valeurs optimales des variables de contrôle de chacun des dispositifs, tels que le niveau de la haute tension d'alimentation ou la vitesse de l'air de fluidisation. Les résultats obtenus sur les installations de laboratoire et sur un prototype préindustriel recommandent cette classe de procédés tribo-aéro-électrostatiques comme la solution de choix pour le recyclage des déchets granulaires d'équipements électriques et électroniques. / Several types of mechanical devices (vibratory trays, rotating drums, fluidized beds) make use of the triboelectric effect for electrically charge the constituents of insulating materials granular mixtures, in view of their separation in a high-intensity electric field. The non-uniformity of granule charge at the exit of these devices adversely affects the separation efficiency, justifying the researches aimed at the development of novel electrostatic processes, mainly for applications in the field of waste recycling. Simultaneous usage of the triboelectric effect, the Coulomb force and the electric image force is an innovative technical solution according to which four fluidized bed devices were built or improved within the framework of this thesis. The performances of these devices could be evaluated by setting up complex measurement systems that enable the continuous and simultaneous recording of the charges and masses of the separated products. Thus, the experimental design methodology could be used for modeling the separation process and identify the optimum values of the control variables of each device, such as the high voltage level of the speed of the fluidization air. The results obtained on laboratory devices as well on an semi-industrial pilot installation recommend this class of tribo-aero-electrostatic separation processes as the solution of choice for the selective sorting of plastics from waste electric and electronic equipment.

Les récupérateurs d'énergie vibratoire électrostatiques (REV) sont des systèmes convertissant une partie de l'énergie cinétique de leur environnement en énergie électrique, afin d'alimenter de petits systèmes électroniques. Les REV inertiels sont constituées d'un sous-système mécanique bâti autour d'une masse mobile, ainsi que d'une interface électrique. Ces deux blocs sont couplés par un transducteur électrostatique. Cette thèse étudie l'amélioration des performances des REV par la conception optimisée de leur interface électrique. La première partie de cette thèse étudie une famille d'interfaces électriques appelées pompes de charge (PC). On commence par la construction d'une théorie formelle des PC. Des interfaces rapportées dans la littérature sont identifiées comme membres de cette famille. Cette dernière est ensuite complétée par une nouvelle topologie de PC. Une comparaison des différents PC est alors faite dans le domaine électrique, puis un outil semi-analytique est présenté pour la comparaison des PC en prenant en compte le couplage électromécanique. L'étude des PC se termine par la présentation d'une nouvelle méthode de mesure du potentiel d'électret des REV. La deuxième partie de la thèse présente une approche de conception radicalement différente de ce qui est présenté dans les travaux actuels sur les REV. Elle préconise une synthèse active de la dynamique de la masse des REV à travers leur interface électrique. Nous montrons d'abord que cela permet la conversion d'énergie en quantités proches des limites physiques, et ce à partir de vibrations d'entrée de forme arbitraire. Enfin, une architecture pour un tel REV est proposée et testée en simulation. / Electrostatic vibration energy harvesters (e-VEHs) are systems that convert part of their surroundings' kinetic energy into electrical energy, in order to supply small-scale electronic systems. Inertial E-VEHs are comprised of a mechanical subsystem that revolves around a mobile mass, and of an electrical interface. The mechanical and electrical parts are coupled by an electrostatic transducer. This thesis is focused on improving the performances of e-VEHs by the design of their electrical interface. The first part of this thesis consists in the study of a family of electrical interfaces called charge-pumps conditioning circuits (CPCC). It starts by building a formal theory of CPCCs. State-of-the-art reported conditioning circuits are shown to belong to this family. This family is then completed by a new CPCC topology. An electrical domain comparison of different CPCCs is then reported. Next, a semi-analytical tool allowing for the comparison of CPCC-based e-VEHs accounting for electromechanical effects is reported. The first part of the thesis ends by presenting a novel method for the measurement of e-VEHs' built-in electret potential. The second part of the thesis presents a radically different design approach than what is followed in most of state-of-the-art works on e-VEHs. It advocates for e-VEHs that actively synthesize the dynamics of their mobile mass through their electrical interface. We first show that this enables to convert energy in amounts approaching the physical limits, and from arbitrary types of input vibrations. Then, a complete architecture such an e-VEH is proposed and tested in simulations submitted to human body vibrations.