L'objectif de cette thèse est la compréhension théorique des phénomènes d'adsorption dans les aérogels de silice. En dépit de leur très haute porosité, les aérogels modifient profondément les propriétés du fluide adsorbé. Le caractère hors d'équilibre du système se traduit par la présence d'hystérésis dans les isothermes d'adsorption. Plusieurs groupes expérimentaux ont mis en évidence l'influence remarquable de la température et de la porosité sur la morphologie des boucles d'hystérésis. Ni l'approche traditionnelle des phénomènes de condensation capillaire dans les solides mésoporeux ni les propriétés d'équilibre du modèle d'Ising en champ aléatoire (RFIM) ne permettent d'expliquer ces observations.<br /><br />Notre modélisation prend pleinement en compte le caractère désordonné et hors d'équilibre du système fluide-aérogel. Le fluide est représenté par un gaz sur réseau et l'aérogel est décrit de manière réaliste à l'aide d'un algorithme d'agrégation de "clusters" limitée par diffusion (DLCA). Le caractère "coarse-grained" de notre description permet d'étudier les phénomènes collectifs se produisant à une échelle supérieure à celle des cavités de l'aérogel. Le modèle est traité dans le cadre d'une théorie de champ moyen local, qui définit un paysage de grand potentiel. On peut négliger les processus activés, comme le suggèrent les expériences, et le système-modèle évolue dès lors dans ce paysage selon une dynamique de température nulle, ne changeant de configuration que lorsqu'un paramètre extérieur (potentiel chimique) est modifié. <br /><br />Cette modélisation nous permet d'élucider la nature des phénomènes d'adsorption. Le désordre imposé par l'aérogel induit, pour une température assez basse, un paysage de grand potentiel complexe, caractérisé par un grand nombre d'états métastables. Le système y évolue par une succession d'avalanches, qui sont des événements irréversibles de condensation (ou d'évaporation) en général microscopiques. Cette dynamique d'avalanche dans un paysage complexe est à l'origine de l'hystérésis. La forme des boucles d'hystérésis dépend du mécanisme à l'oeuvre, mécanismes qui diffèrent à l'adsorption et à la désorption, et changent avec la porosité et la température. On observe en particulier des transitions de phase hors d'équilibre identiques à celles qui existent dans le RFIM à température nulle. A l'adsorption, l'isotherme est soit discontinue soit continue selon qu'il existe une avalanche de taille macroscopique ou des avalanches seulement microscopiques ; ces deux régimes sont séparées par une ligne critique correspondant à la transition d'avalanche. A la désorption, trois mécanismes distincts sont mis en évidence : le premier est la cavitation, les deux autres sont des transitions qui mettent en jeu l'interface entre le fluide adsorbé et le réservoir de gaz : transition de percolation d'invasion et transition de dépiégeage. Nous montrons que de manière générale, il est difficile d'établir un lien direct entre la structure de l'aérogel et les caractéristiques des isothermes. <br /><br />Dans la dernière partie de ce travail, nous étudions le rapport entre métastabilité et hystérésis en considérant le cas du RFIM sur réseau de Bethe à température nulle. Par des calculs analytiques, nous établissons un lien entre la boucle d'hystérésis et la répartition des états métastables dans le plan champ magnétique-aimantation.

Les mouvements gravitaires rapides de grande ampleur mobilisent un versant rocheux (volume supérieur au million de m3) avec une cinétique élevée (>100 km.h-1). La méconnaissance des processus de transport à l'origine de la mobilité conduit à la nécessité d'études approfondies de terrain. Un certain nombre de structures figées, originelles, ou résultant du transport, ont été étudiées aux sites du glissement-avalanche de roches de La Madeleine, du glissement rocheux de Flims et du glissement rocheux de Köfels. Ces structures permettent de remonter aux processus de réduction granulométrique, quantifiée au site de La Madeleine, par comparaison de la blocométrie du massif rocheux en place et de la granulométrie des dépôts. Le continuum de transformations physiques et rhéologiques de la masse rocheuse conduit à l'évolution du mode de transport depuis le glissement rocheux jusqu'à l'avalanche de roches. La géométrie de la topographie de fond de vallée, les propriétés du substratum et les caractéristiques mécaniques du matériau rocheux limitent cette évolution.

Cette thèse consiste en l'étude expérimentale de la dynamique d'une interface granulaire inclinée et cisaillée par un écoulement d'eau laminaire, continu. Dans le canal de géométrie contrôlée, deux modes de transport sédimentaires sont observables: par érosion hydrodynamique et par écoulement gravitaire en masse. Une première étude est consacrée aux seuils de mise en mouvement des particules. Deux modèles simples prenant en compte la gravité, la friction entre particules et le cisaillement du fluide, permettent de retrouver l'influence de la vitesse de l'écoulement d'eau et de la pente du lit sur les seuils de transport par érosion et par avalanche. Le régime d'écoulements gravitaires est ensuite exploré pour des pentes au-delà de l'angle maximal de stabilité. Les mesures d'évolution de la pente du tas et du débit de particules (par PIV) montrent que l'avalanche atteint rapidement un régime quasi-stationnaire. La vitesse des grains dépend uniquement de la pente du tas, dans une relation quantitativement prédite par un modèle adapté des développements récents de modélisation de la rhéologie des granulaires. Dans une troisième partie on s'intéresse à la déformation de l'interface granulaire dans un régime particulier. La formation de rides à tourbillon est observée à la surface de l'avalanche, lorsqu'on applique un écoulement d'eau qui tend à transporter les particules dans la direction opposée. Après une phase initiale de croissance exponentielle, l'amplitude des rides sature. La zone de recirculation à l'arrière de la ride semble contrôler la forme des structures tandis que la quantité de matière transportable par l'avalanche semble déterminer leur amplitude.

A self-consistent, full-band, electrothermal ensemble Monte Carlo device simulation tool has been developed. It is used to study charge transport in bulk GaN, and to design, analyze, and improve the performance of AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) and avalanche photodiodes (APDs). Studies of electron transport in bulk GaN show that both peak electron velocity and saturated electron velocity are higher for transport in the basal plane than along the c-axis. Study of the transient electron velocity also shows a clear transit-time advantage for electron devices exploiting charge transport perpendicular to the c-axis. The Monte Carlo simulator also enables unique studies of transport under the influence of high free carrier densities but with low doping density, which is the mode of transport in AlGaN/GaN HEMTs. Studies of isothermal charge transport in AlGaN/GaN HEMTs operating at high gate bias show a drain current droop with increasing drain-source bias. The cause of the droop is investigated and a design utilizing source- or gate-connected field plate is demonstrated to eliminate the drain current droop. Electrothermal aspects of charge transport in AlGaN/GaN HEMTs are also investigated, and the influence of non-equilibrium acoustic and optical phonons is quantified. The calculated spatial distribution of non-equilibrium phonon population reveals a hot spot in the channel that is localized at low drain-source bias, but expands towards the drain at higher bias, significantly degrading channel mobility. Next, Geiger mode operation of wurtzite GaN-based homojunction APDs is investigated. The influences of dopant profile, active region thickness, and optical absorption profile on single photon detection efficiency (SPDE) are quantified. Simulations of linear mode gain as a function of multiplication region thickness and doping profile reveal that weakly n-type active regions may be exploited to achieve higher avalanche gain, without penalty to either applied bias or active region thickness. A separate absorption and multiplication APD (SAM-APD) utilizing a AlGaN/GaN heterojunction is also investigated. The presence of strong piezo-electric and spontaneous polarization charges at the heterojunction enables favorable electric field profile in the device to reduce dark current, improve excess noise factor, improve quantum efficiency, and improve breakdown probability. To maximize SPDE, a new device structure with a buried absorber is proposed and improved SPDE is demonstrated. Lastly, a new approach for the direct generation of self-sustaining millimeter-wave oscillations is proposed. In contrast to Gunn diodes, which exploit a bulk-like active region, periodic oscillation is achieved in the proposed structures through the creation, propagation and collection of traveling dipole domains supported by fixed polarization charge and the associated two-dimensional electron gas along the plane of a polar heterojunction. Numerical simulation of induced oscillations in a simple triode structure commonly used for AlGaN/GaN HEMTs reveals two distinct modes of self-sustaining millimeter-wave oscillation.

Les aléas géomorphologiques liés à la dynamique des versants constituent un risque important pour les infrastructures routières du nord de la Gaspésie. Chaque année, des avalanches de neige et des blocs de glace issus du démantèlement des carapaces atteignent la route 132, causant des interruptions de circulation, des dommages aux aménagements et parfois même des accidents. La présente étude a pour objectif d'analyser les variations de l'activité géomorphologique sur le site d'Aqua Velva ; de circonscrire les conditions météorologiques favorables au déclenchement des avalanches de neige et des chutes de blocs de glace et ; d'en déterminer les périodes individuelles et combinées d'activité pour le site d'étude. Les résultats découlent de l'analyse croisée des inventaires du Ministère des Transports du Québec liées à ces deux aléas entre 1987 et 2011 et des données météorologiques d'Environnement Canada, complété par des analyses dendrogéomorphologiques. Les anomalies de croissances des arbres échantillonnés témoignent d'une augmentation considérable de l'activité géomorphologique liée à la dynamique des versants sur le site d'Aqua Velva à partir de la fin des années 80. D'après les résultats obtenus, il ressort que la température est le facteur déterminant dans le démantèlement des carapaces de glace. L'approche par degré-jours cumulés a permis d'identifier une période d'activité d'une durée moyenne 45 jours s'étalant entre le 21 avril et le 5 juin. La dynamique avalancheuse sur le site d'étude est plutôt soumise à l'effet des précipitations. Elle répond à trois régimes avalancheux distincts : un régime de tempête lié à de fortes précipitations neigeuses sur une courte période de temps (24, 48 ou 72h); un régime printanier de fonte lié à la pluie et un régime printanier causé par la chute de blocs de glace. Alors que les épisodes de tempête se concentrent surtout en février, le manteau neigeux dans le couloir d'Aqua Velva est susceptible de subsister jusqu'à tard au printemps engendrant un risque avalancheux ou multi-aléa jusqu'à la mi-mai. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : avalanches, carapaces de glace, multi-aléas, climat, dendrogéomorphologie, risque naturel, Gaspésie, Québec

Proteins are commonly found molecules in biological systems: our fingernails, hair, skin, blood, muscle, and eyes are all made of protein. Many diseases simply arise because a protein is not folded properly. Therefore, knowledge of protein structure is considered a prerequisite to understanding protein function and, by extension, a cornerstone for drug design and for the development of therapeutic agents. Protein crystallography is a tool that allows structural biologists to discern protein structures to the highest degree of detail possible in three dimensions. The recording of x-ray diffraction data from the protein crystal is a central part of protein crystallography. As such, an important challenge in protein crystallography research is to design x-ray detectors to accurately determine the structures of proteins. This research presents the design and evaluation of a solid-state large area at panel detector for protein crystallography based on an amorphous selenium (a-Se) x-ray sensitive photoconductor operating in avalanche mode integrated with an amorphous silicon (a-Si:H) charge storage and readout pixel. The advantages of the proposed detector over the existing imaging plate (IP) and charge coupled device (CCD) detectors are large area, high dynamic range coupled to single x-ray detection capability, fast readout, high spatial resolution, and inexpensive manufacturing process. The requirement of high dynamic range is crucial for protein crystallography since both weak and strong diffraction spots need to be imaged. The main disadvantage of a-Si:H thin film transistor (TFT) array is its high electronic noise which prohibits quantum noise limited operation for the weak diffraction spots. To overcome the problem, the x-ray to charge conversion gain of a-Se is increased by using its internal avalanche multiplication gain. Since the detector can be made approximately the same size as the diffraction pattern, it eliminates the need for image demagnification. The readout time of the detector is usually within the ms range, so it is appropriate for crystallographic application. The optimal detector parameters (such as, detector size, pixel size, thickness of a-Se layer), and operating parameters (such as, electric field across the a-Se layer) are determined based on the requirements for protein crystallography. A complete model of detective quantum efficiency (DQE) of the detector is developed to predict and optimize the performance of the detector. The performance of the detector is evaluated in terms of readout time (< 1 s), dynamic range (~10^5), and sensitivity (~ 1 x-ray photon), thus validating the detector's efficacy for protein crystallography. The design of an in-house a-Si:H TFT pixel array for integration with an avalanche a-Se layer is detailed. Results obtained using single pixel are promising and highlight the feasibility of a-Si:H pixels coupled with avalanche a-Se layer for protein crystallography application.

Proteins are commonly found molecules in biological systems: our fingernails, hair, skin, blood, muscle, and eyes are all made of protein. Many diseases simply arise because a protein is not folded properly. Therefore, knowledge of protein structure is considered a prerequisite to understanding protein function and, by extension, a cornerstone for drug design and for the development of therapeutic agents. Protein crystallography is a tool that allows structural biologists to discern protein structures to the highest degree of detail possible in three dimensions. The recording of x-ray diffraction data from the protein crystal is a central part of protein crystallography. As such, an important challenge in protein crystallography research is to design x-ray detectors to accurately determine the structures of proteins. This research presents the design and evaluation of a solid-state large area at panel detector for protein crystallography based on an amorphous selenium (a-Se) x-ray sensitive photoconductor operating in avalanche mode integrated with an amorphous silicon (a-Si:H) charge storage and readout pixel. The advantages of the proposed detector over the existing imaging plate (IP) and charge coupled device (CCD) detectors are large area, high dynamic range coupled to single x-ray detection capability, fast readout, high spatial resolution, and inexpensive manufacturing process. The requirement of high dynamic range is crucial for protein crystallography since both weak and strong diffraction spots need to be imaged. The main disadvantage of a-Si:H thin film transistor (TFT) array is its high electronic noise which prohibits quantum noise limited operation for the weak diffraction spots. To overcome the problem, the x-ray to charge conversion gain of a-Se is increased by using its internal avalanche multiplication gain. Since the detector can be made approximately the same size as the diffraction pattern, it eliminates the need for image demagnification. The readout time of the detector is usually within the ms range, so it is appropriate for crystallographic application. The optimal detector parameters (such as, detector size, pixel size, thickness of a-Se layer), and operating parameters (such as, electric field across the a-Se layer) are determined based on the requirements for protein crystallography. A complete model of detective quantum efficiency (DQE) of the detector is developed to predict and optimize the performance of the detector. The performance of the detector is evaluated in terms of readout time (< 1 s), dynamic range (~10^5), and sensitivity (~ 1 x-ray photon), thus validating the detector's efficacy for protein crystallography. The design of an in-house a-Si:H TFT pixel array for integration with an avalanche a-Se layer is detailed. Results obtained using single pixel are promising and highlight the feasibility of a-Si:H pixels coupled with avalanche a-Se layer for protein crystallography application.

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Les travaux de cette thèse ont été menés dans le cadre d'une collaboration entre les laboratoires SATIE et LTN IFSTTAR. Ils portent principalement, sur l'étude de la robustesse des composants JFET SiC de puissance pour des applications de découpage à haute fréquence, forte puissance surfacique et à haute température lorsqu'ils sont soumis à des régimes extrêmes de fonctionnement. Les travaux présentés traitent également de façon plus générale l'étude de la durée de vie de packaging dédiés à ce type de composants et adaptés à la haute température pour des applications aéronautiques. La robustesse de différents lots des VJFETs SiC d'un fabricant particulier (SemiSouth) a été étudiée en régimes d'avalanche et de court circuit afin de déterminer les énergies que peuvent supporter ces composants dans ces modes de fonctionnement particuliers en cherchant notamment à quantifier la température du cristal et à mettre en évidence les mécanismes physiques à l'origine des défaillances. Nous avons ainsi également développé un modèle éléments finis thermique afin d'estimer la température de jonction du JFET SiC lors des régimes extrêmes pour chercher à relier l'apparition de la défaillance à la température. Finalement, nous décrivons des mécanismes physiques à l'origine des dégradations lors de la répétition de tels régimes extrêmes de fonctionnement expliquant à terme la destruction par vieillissement des transistors. Un substrat céramique à base de Si3N4 a été le support des études menées dans le cadre de cette thèse sur le packaging. Nous avons caractérisé les dégradations de ces substrats par des analyses acoustiques après vieillissement par cyclage thermique de forte amplitude. Un modèle thermomécanique a été développé afin d'estimer les contraintes mécaniques dans l'assemblage et valider les résultats expérimentaux obtenus. Enfin, nous avons également initiés des travaux de diagnostic thermique sur des puces JFET SiC, par des mesures d'impédance thermique pouvant être utilisées pour la détection de défauts de délaminage dans un assemblage de puissance.

Cette contribution, en s'appuyant sur expérimentation et modélisation numérique, vise à une meilleure compréhension du comportement de structures en maçonnerie. Nous traitons tout d'abord le cas des murs soumis à un chargement hors plan de type pression uniforme. Les applications en ingénierie sont multiples, par exemple le cas de la maison individuelle construite en montagne en zone bleu, zone où les structures sont susceptibles de subir un impact de type avalanche de neige ; ou encore le cas de la maçonnerie soumise à une pression latérale induite par une charge accidentelle telle qu'une explosion dans une zone Seveso ou plus généralement en ville suite à l'explosion d'une conduite de gaz. Notre étude se confine au cas quasi-statique, l'objet étant une meilleure compréhension du comportement d'un mur en maçonnerie soumis à pression latérale uniforme. Nous avons aussi testé différentes configurations de renforcement par matériau composite. Puis nous évaluons pas à pas, les possibilités de la modélisation via la méthode des éléments discrets (DEM). Des essais judicieusement choisis, maçonnerie à joint sec ou mortier, nous permettent d'en évaluer les pertinences et les limites. Nous abordons ensuite sur maquettes, les essais sous charge ponctuelle hors plan en quasi-statique et le cas de l'impact en dynamique, puis nous traitons des essais vibratoires et des sollicitations dynamiques harmoniques. La modélisation DEM est aussi évaluée dans certains cas tels que les vibrations et les sollicitations modales, voir l'application d'une sollicitation sismique unidirectionnelle. L'étude des sollicitations dynamiques est limitée à la vibration et l'impact, plus facile à gérer en laboratoire que les essais dynamiques de " type souffle ", non ici abordés mais que nous mettons en perspective