Thèse de doctorat : Etudes anglaises et nord-américaines : Rennes 2 : 2007. / Bibliogr. p. 467-478. Index des noms propres.

Texte remanié de : Thèse de doctorat : Lettres modernes : Grenoble 3 : 2004. / Bibliogr. p. 223-[226]. Notes bibliogr.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Microondes et microtechnologies : Lille 1 : 2004. / N° d'ordre (Lille 1) : 3515. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. [213]-223. Liste des publications.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 54-62. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Th.--Sci., électronique--Toulouse--I.N.P., 1977. N°: 27.

L'intérêt porté au développement de matériaux thermoélectriques est grandissant car ils permettent de créer des sources d'énergie renouvelable, dites « vertes », ce qui s'inscrit pleinement dans la stratégie de lutte contre le réchauffement climatique. A ce jour le rendement de tels systèmes reste faible, le coût de développement élevé, et les plages de températures d'utilisation sont limitées. Dans ces travaux de thèse différentes pistes sont explorées pour développer des matériaux innovants à base de chalcogènes, principalement le tellure. Les principaux résultats portent sur les points suivants. (i) Une étude par spectroscopies couplée à des calculs théoriques a permis de mieux comprendre les phénomènes de conduction dans les verres du système Cu-As-Te. (ii) La recristallisation complète de verres de formulation Ge20Te77Se3 dopés a été réalisée pour pousser à son terme la logique dite du Phonon Glass Electron Crystal (PGEC).(iii) Différents modes de synthèses ont été mis en œuvre pour suivre les propriétés thermoélectriques de matériaux de formulation CuPb18SbTe20 (frittage, SPS, flash-SPS, hybrid flash-SPS). (iv) Accroissement de 170% des performances d'alliage du système Pb-Sb-Te en générant des vacances de sites (composés non-stœchiométriques). (v) Le suivi des conséquences du dopage de GeTe par un seul élément a montré la nécessité d'un co-dopage pour simultanément accroître la conductivité électronique et le Seebeck. (vi) Le co-dopage In-Bi de GeTe a permis de créer des niveaux résonants (In) et d'accroitre la diffusion thermique (Bi). (vii) Enfin, le résultat le plus remarquable porte sur le co-dopage Ga-Sb de GeTe qui permet d'effectuer de l'ingénierie de structure de bandes. Couplé à une synthèse par hybrid flash SPS ces matériaux prometteurs permettent d'obtenir un zT 2 sur une large gamme de température (600–773 K). / With the performance of direct conversion between thermal and electrical energy, thermoelectric materials, which are crucial in the renewable energy conversion roadmap, provide an alternative for power generation and refrigeration to solve the global energy crisis. But the low efficiency of the current materials, their usual costs, availability, and limited working temperatures, drastically constrain their application. Hence, the search for new and more efficient thermoelectric materials is one of the most dynamic objectives of this thesis. The key milestones achieved from this thesis work includes: (i) elucidating the mechanism for hole conductivity in Cu-As-Te glasses by X-ray absorption spectroscopy and quantum simulations; (ii) formulating a novel approach to achieve phonon-glass electron-crystal mechanism by crystallizing the Ge20Te77Se3 glasses by excess doping with metals or semi-metals (glass-ceramics); (iii) demonstrating the effect of processing route on the thermoelectric performance of CuPb18SbTe20 and highlighting the advantage of hybrid-flash spark plasma sintering technique, i.e., better optimization of electrical and thermal transport properties and achieving multi-scale hierarchical architectures; (iv) improving the thermoelectric performance of Pb-Sb-Te alloys (enhancement by 170%) by tuning their cation vacancies (Pb deficiencies); (v) understating the impact of doping just a group-11 coinage metal, or group-13 element on GeTe solid-state solution and recapitulating the need for pair substitution; (vi) substantially enhancing the average zT of In-Bi codoped GeTe; (vii) achieving a remarkably high and stable zT of close to 2 over a wide temperature range (600 – 773 K) by manipulating the electronic bands in Ga-Sb codoped GeTe, which has been processed by hybrid flash-spark plasma sintering, thus making it a serious candidate for energy harvesting systems.

L'utilisation de l'équation de Dirac/Weyl conduit à une simplification conceptuelle dans une description de la structure de la bande dans les solides à faible échelle d'énergie. En particulier, les excitations d'électrons-trous peuvent être considérées comme analogues au cas relativiste tel que conductivité optique linéaire, le suppression de backscattering ou la manifestation des arcs de Fermi et la chiralité des particules. En outre, la phase semi-métallique est également un élément crucial pour la classification des matériaux. La taille de le gap est affectée qualitativement par le type de dispersion d'énergie par un croisement continu des bandes linéaires à paraboliques. Cela peut être compris comme une limite classique ou ultra-relativiste du mouvement d'une particule massive.La spectroscopie infrarouge de la transformation de Fourier est une technique unique pour étudier les excitations optiques dans une large gamme d'énergies et représente en combinaison avec le champ magnétique élevé un outil puissant pour sondage de la structure électronique et surmonte le principal obstacle des systèmes sans gap qui est un dopage fort en raison de désordre structurel.La première partie du travail est consacrée à l'arséniure de cadmium, où nous élaborons une approche de distinction qualitative entre les systèmes Dirac et Kane qui ont été utilisés pour prouver sur la base de la réponse magnéto-optique observée la réalisation du modèle Kane presque sans gap avec une similitude frappante avec HgCdTe, en contradiction avec l'existence de cônes purement Dirac. La magnéto-réflectivité dans un champ magnétique à champ élevé la résonance cyclotron caractéristiques par un radical-B dépendance avec un comportement particulier dans la limite quantique. En revanche, la magnéto-transmission montrait des transitions de niveau Landau qui doit être interprétées que comme un type plat-à-cône afin de préserver une cohérence totale du modèle. Les cônes de Dirac prédits par la théorie sont susceptibles de coexister dans le modèle de Kane sous la forme d'une sous-structure décrite par le modèle de Bodnar qui se rapproche de la structure cristalline complexe par une simple cellule antifluorite qui permet d'utiliser la théorie du k.p classique.Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur le bismuth comme isolant topologique 3D archétype. Nous étudions une condition particulière obéie pour le BHZ-hamiltonien qui apporte des propriétés intriguantes comme une relation inhabituelle de spin gap et la résonance du cyclotron, l'épinglage spécifique entre les fancharts des sous-groupes Landau ou les g-facteurs compensés dans les bandes de conduction et de valence. Les mesures de photoluminescence ont montré une émission directgap, ce qui donne un nouvel aperçu de la structure largement acceptée à partir des données ARPES, où la “chameau structure” de la bande de valence doit être expliquée dans le confinement de surface et le point de Dirac de l'état de surface doit être repositionné par rapport aux bandes en bulk. La réponse magnéto-optique peut être pleinement expliquée dans une image classique du paramagnétisme de Pauli comme un simple effet d'occupation. Un tel comportement se manifeste dans la transmission en tant que fractionnement progressif du bord d'absorption interbande avec une saturation successive due à la polarisation spin partielle ou totale des électrons. Le dichroïsme relatif entraîne également une forte rotation de Faraday linéaire décrite par un modèle simple de la constante Verdet qui ne dépend pas sur le niveau de Fermi. / The use of the Dirac/Weyl equation leads to a conceptual simplification in a description of the band structure in solids at low energy scales. In particular, electron-hole excitations can be regarded as an analogue to the relativistic case with several expected phenomena to be observed in the condensed systems such as a suppressed back-scattering, linear optical conductivity or the manifestation of the Fermi arcs and particle's chirality. Moreover, the semimetallic phase also symbolizes a boundary between the trivial and topological insulators and thus play a crucial role for the material classification. The size of the gap qualitatively affects the type of the energy dispersion by a continuous crossover from the linear to parabolic bands. This fact can be easily understood as a classical or ultra-relativistic limit of the motion of a free massive particle.Infrared Fourier transform spectroscopy is a unique technique for studying optical excitations in a wide range of energies and it represents in combination with the high magnetic field a powerful tool for probing electronic structure and overcomes the main obstacle of the gapless systems that is a strong doping due to the structural disorder.The first part of the work is devoted to cadmium arsenide, where we elaborate an approach to qualitatively distinguish between the Dirac and Kane systems that was used to prove on the basis of the observed magneto-optical response the realization of the nearly gapless Kane model with a striking similarity to HgCdTe, contradicting the existence of purely Dirac cones. The magneto-reflectivity revealed a strong splitting of the plasma edge that turns into the cyclotron resonance characteristic by a squareroot-of-B dependence in the high magnetic field with a particular behaviour in the quantum limit independent on the initial Fermi level. In contrast, the magneto-transmission revealed interband Landau level transitions that could be only interpreted as a flat-to-cone type in order to preserve a full consistency of the model. The Dirac cones predicted by theory are feasible to coexist within the Kane model in the form of a substructure described by the Bodnar model that approximates the complex crystal structure by a simple antifluorite cell, which allows to use the conventional k.p-theory.In the second part, we focus on bismuth selenide entitled as an archetypal 3D topological insulator. We study a peculiar condition fulfilled for the BHZ-hamiltonian that brings intriguing properties such as an unusual relation of the spin gap and cyclotron resonance, the specific pinning between fancharts of Landau subsets or the compensated g-factors of the conduction and valence bands. The photoluminescence measurements showed a direct-gap emission, that gives a new insight to the widely accepted structure from ARPES data, where the declared camel-back structure of the valence band needs to be explained within the surface confinement and the Dirac point of the surface state should be repositioned with respect to the bulk bands. The magneto-optical response can be fully explained in a classical picture of the Pauli paramagnetism as a purely occupational effect. Such behaviour is evinced in the transmission as a gradual splitting of the interband absorption edge with a successive saturation due to the partial or total spin polarization of electrons. The related dichroism drives also a strong linear Faraday rotation described by a simple model of the Verdet constant that depends only on the Fermi level.

No description available.

Le dimensionnement des protections thermiques des véhicules spatiaux nécessite la connaissance des flux de chaleur à la surface de l'engin. Pour le type de rentrée atmosphérique étudié dans ces travaux (rentrée terrestre à 10-12 km/s ou plus), le rayonnement contribue de manière significative à l'échauffement pariétal. Nous présentons dans cette étude, le développement et la mise en œuvre de modèles et d'outils numériques permettant de prédire les transferts radiatifs dans les couches de choc de rentrée terrestre hors d'équilibre en géométrie multi-dimensionnelle. Nous avons d'abord formulé dans une approche raie par raie l'expression des propriétés radiatives relatives à des plasmas de N2-O2 hors d'équilibre. Cette formulation est adaptée à une modélisation multi-température et/ou une modélisation par niveau électronique du déséquilibre thermique. Les expressions obtenues ont été mises en œuvre sur le cas d'épreuve FIRE II afin de déterminer les luminances au point d'arrêt pour quatre points de trajectoire. Les résultats montrent un bon accord global avec les données en vol dans les différents intervalles de mesure allant de l'IR à l'UV, hormis pour le point de rentrée le plus hors d'équilibre. Les calculs montrent également que la partie VUV du spectre contribue de manière très importante à la luminance à la paroi et que la prise en compte du déséquilibre chimique est primordiale. Un modèle approché de propriétés radiatives a ensuite été développé sur la base d'un modèle statistique à bandes étroites (MSBE) pour les systèmes électroniques moléculaires optiquement non minces (dans notre application), d'un modèle à coefficients d'émission et d'absorption moyennés par bande étroite pour les systèmes électroniques optiquement minces et les continua, et d'une approche raie par raie pour les transitions lié-lié atomiques. La mise en œuvre de cette modélisation hybride a nécessité une formulation adaptée de l'ETR pour tenir compte du déséquilibre et des corrélations spectrales. Des validations systématiques du MSBE, contribution par contribution, ont été réalisées. Le modèle hybride a ensuite été validé sur le cas d'épreuve FIRE II par rapport à des calculs raie par raie. Le modèle hybride a été implémenté dans le solveur radiatif ASTRE, code basé sur une approche de Monte Carlo. L'implémentation a été validée par rapport à une méthode de lancer de rayons sur une con_figuration plans tangents. Des calculs 3D de rayonnement ont ensuite été réalisés sur le cas d'épreuve FIRE II. Les résultats montrent des écarts de l'ordre de 10-15 % sur les flux au point d'arrêt par rapport aux résultats obtenus dans l'approximation des plans tangents habituellement utilisée dans la littérature. Les outils développés permettent d'obtenir des résultats relativement bien convergés (5 %) en géométrie tri-dimensionnelle (100000 cellules) en un temps CPU raisonnable permettant d'envisager des calculs couplés à terme. / Thermal protection design of spacecraft requires the knowledge of heat fluxes at the vehicle surface. For the kind of atmospheric entry considered in this work (earth reentry at 10-12 km/s or more), radiation significantly contributes to the surface heating. We present in this study, the development and the use of models and numerical tools to predict radiative transfers in the shock layers encountered in earth re-entry in nonequilibrium conditions and multi-dimensionnal geometry. First of all, we have formulated, in a line by line approach, the expressions of radiative properties of N2-O2 plasmas in nonequilibrium conditions. This formulation is suitable for a multi-temperature and/or a electronic state to state description of the thermal nonequilibrium. It has been used to simulate the test case FIRE II in order to determine radiative intensity at the stagnation point for four trajectory points. Results show a good agreement with flight data for different spectral measurement ranges form IR to UV, except for the trajectory point in strong nonequilibrium conditions. Calculations show moreover that VUV spectral range contributes significantly to the intensity at the wall and that taking into account chemical nonequilibrium is crucial. An approximate model of radiative properties has been developed on the basis of a statistical narrow band (SNB) model for optically thick (in our application) electronic molecular systems, of a box model for optically thin electronic molecular systems and continua, and of a line by line approach for atomic lines. The use of the hybrid model has required a suitable RTE formulation to take into account nonequilibrium and spectral correlations. Systematic validations of the SNB model for each contribution have been carried out. The hybrid model has then been validated on the test case FIRE II against line by line calculations. The hybrid model has been implemented in the ASTRE radiative solver, which is based on a Monte Carlo approach. The implementation has been validated in comparison with a ray tracing method on a tangent slab configuration. 3D radiative calculations have been then carried out on the test case FIRE II. Results show discrepancy of 10-15 % on the fluxes at the stagnation point with results obtained in the tangent slab approximation which is usually used in the litterature. The developed tools allow to obtain relatively well converged (5 %) results in tri-dimensional geometry (100000 cells) with a reasonable CPU time enabling to consider coupled calculations in futur works.

Si l'amorçage des fissures de fatigue est aujourd'hui bien compris dans le cas de monocristaux de métaux purs, ce phénomène s'avère plus complexe à cerner et à prédire dans le cas d'alliages métalliques polycristallins tels que l'acier AISI 316LN.D'un point de vue expérimental, notre étude s'est concentrée sur la caractérisation du comportement mécanique et l'étude, à différentes échelles, des phénomènes liés à l'amorçage des fissures de fatigue oligocyclique dans l'acier 316LN. Pour des niveaux de déformation appliquée de Δε/2 = 0,3 et 0,5%, l'adoucissement cyclique observé au cours des essais coïncide avec l'organisation des dislocations sous forme de bandes. Ces bandes sont liées à l'activation des systèmes de plus haut facteur de Schmid. Elles portent la majeure partie de la déformation et provoquent en surface des intrusions et extrusions favorisant l'apparition et la coalescence de fissures.D'un point de vue modélisation, nous avons proposé un nouveau modèle de plasticité cristalline intégrant des dislocations géométriquement nécessaires (GND) directement calculées à partir du second gradient de la rotation élastique. Implémenté dans les codes d'éléments finis AbaqusTM et Cast3mTM, ce modèle s'inspire des travaux sur le monocristal en transformations finies de Peirce et al. (1983) et de Teodosiu et al. (1993). Adapté au cas des polycristaux par Hoc (1999) et Erieau (2003), il a été enrichi par l’introduction GND selon la théorie proposée par Acharya et Bassani (2000). Les simulations réalisées sur des différents types d'agrégats (2D extrudé et 3D) montrent que la prise en compte de GND permet :- de reproduire les effets de taille de grains au niveau macroscopique et local,- de décrire plus finement les champs de contraintes calculés.Ces simulations ont permis de mettre en évidence l'influence des matrices d'élasticité et d'écrouissage sur les valeurs et l'évolution des contraintes macroscopique effective et cinématique moyenne et le rôle important des conditions aux limites lors des calculs d'agrégats. / If fatigue crack initiation is currently quite well understood for pure single crystals, its comprehension and prediction in cases of polycrystal alloys such as AISI 316LN stainless steel remain complicated.Experimentally our study focuses on the characterisation of the mechanical behaviour and on the study at different scales of the phenomenon leading to low cycle fatigue crack initiation in 316LN stainless steel. For straining amplitudes of Δε/2 = 0,3 and 0,5%, the cyclic softening observed during testing has been related to the organisation of dislocations in band structures. These bands, formed due to the activation of slip systems having the greatest Schmid's factor, carry the most part of the deformation. Their emergence at free surfaces leads to the formation of intrusions and extrusions which help cracks initiate and spread.Numerically we worked on the mesoscopic scale, proposing a new model of crystalline plasticity. This model integrates geometrically necessary dislocations (GND) directly computed from the lattice curvature. Implemented in the finite element code AbaqusTM and Cast3mTM, it is based on single crystal finite deformations laws proposed by Peirce et al. (1983) and Teodosiu et al. (1993). Extended for polycrystals by Hoc (2001) and Erieau (2003), it has been improved by the introduction of GND (Acharya and Bassani, 2000). The simulations performed on different types of aggregates (2D/3D) have shown that taking GND into account enables:- the prediction of the grain size effect on a macroscopic and on a local scale,- a finer computation of local stress field.The influence of the elasticity and interaction matrices on the values and the evolution of the isotropic and kinematic mean stresses has been shown. The importance of boundary conditions on computed mechanical fields could also be pointed out.