Dans la première partie on propose un outil mathématique pour traiter les conditions aux limites dynamiques d'un problème couplé d'EDP. La simulation avec des conditions aux limites dynamiques nécessite quelques fois une condition de "switch" en temps des conditions aux limites de Dirichlet en Neumann. La méthode numérique (St DN) a été validée avec des mesures expérimentales pour le cas de la contamination croisée en industrie micro-électronique. Cet outil sera utilisé par la suite pour simuler le phénomène de « self-heating » dans les polymères et les hydrogels sous sollicitations dynamiques. Dans la deuxième partie, on s'intéresse à la modélisation du phénomène de self-heating dans les polymères, les hydrogels et les tissus biologiques. D'abord, nous nous sommes focalisés sur la modélisation de la loi constitutive de l'hydrogel de type HEMA-EGDMA. Nous avons utilisé la théorie des invariants polynomiaux pour définir la loi constitutive du matériau. Ensuite, nous avons mis en place un modèle théorique en thermomécanique couplée d'un milieu continu classique pour analyser la production de chaleur dans ce matériau. Deux potentiels thermodynamiques ont été proposés et identifiés avec les mesures expérimentales. Une nouvelle forme d'équation du mouvement non-linéaire et couplée a été obtenue (un système d'équation aux dérivées partielles parabolique et hyperbolique non-linéaire couplé avec des conditions aux limites dynamiques). Dans la troisième partie, une méthode numérique des équations thermomécaniques (couplage parabolique-hyperbolique) pour les modèles a été utilisée. Cette étape nous a permis, entre autres, de résoudre ce système couplé. La méthode est basée sur la méthode des éléments finis. Divers résultats expérimentaux obtenus sur ce phénomène de self-heating sont présentés dans ce travail suivi d'une étude de corrélations des résultats théoriques et expérimentaux. Dans la dernière partie de ce travail, ces divers résultats sont repris et leurs conséquences sur la modélisation du comportement de l'hydrogel naturel utilisé dans le domaine biomédical sont discutées. / In the first part, we propose a mathematical tool for treating the dynamic boundary conditions. The simulation within dynamic boundary condition requires sometimes ''switch'' condition in time of the Dirichlet to Neumann boundary condition (St DN). We propose a numerical method validated with experimental measurements for the case of cross-contamination in microelectronics industry. This tool will be used to compute self-heating in the polymers and hydrogels under dynamic loading. In the second part we focus on modeling the self-heating phenomenon in polymers, hydrogels and biological tissues. We develop constitutive law of the hydrogel type HEMA-EGDMA, focusing on the heat e.ects (dissipation) in this material. Then we set up a theoretical model of coupled thermo-mechanical classic continuum for a better understanding of the heat production in this media. We use polynomial invariants theory to define the constitutive law of the media. Two original thermodynamic potentials are proposed. Original non-linear and coupled governing equations were obtained and identified with the experimental measurements (non-linear parabolic-hyperbolic system with the dynamic boundary condition). In the third part, numerical methods were used to solve thermo-mechanical formalism for the model. This step deals with a numerical method of a coupled partial di.erential equation system of the self-heating (parabolic-hyperbolic coupling). Then, is step allows us, among other things, to propose an appropriate numerical methods to solve this system. The numerical method is based on the finite element methods. Numerous experimental results on the self-heating phenomenon are presented in this work together with correlations studies between the theoretical and experimental results. In the last part of the thesis, these various results will be presented and their impact on the modeling of the behavior of the natural hydrogel used in the biomedical field will be discussed.

Le démantèlement des réacteurs Uranium Naturel Graphite-Gaz (UNGG), tous arrêtés depuis 1994, génèrera 23 000 tonnes de déchets de graphite de Faible Activité et Vie Longue (FAVL), contenant notamment du 14C. Le but de ce travail de thèse est d’étudier un procédé original d’extraction sélective de ce radionucléide par carboxy-gazéification. L’organisation multi-échelle des graphites vierge et irradié a été étudiée par un couplage entre microspectrométrie Raman et microscopie électronique à transmission. Avec la fluence neutronique, la structure se dégrade et la nanostructure peut être fortement modifiée. Dans les cas extrêmes, la nanostructure lamellaire du graphite nucléaire est devenue nanoporeuse. En outre, ces dégâts sont systématiquement hétérogènes. Un effet d’orientation des « cristallites », mis en évidence expérimentalement par implantation ionique, pourrait être une cause de ces hétérogénéités. Cette étude a également montré qu’à partir d’une certaine fluence, l'apparition importante de zones nanoporeuses coïncide avec une augmentation spectaculaire de la concentration en 14C. Ce radionucléide pourrait donc être préférentiellement concentré dans ces zones nanoporeuses qui sont potentiellement plus réactives que les zones restées lamellaires et a priori moins riches en 14C.Ce procédé par carboxy-gazéification a d'abord été testé sur des matériaux « analogues » non radioactifs (graphites broyés mécaniquement). Ces essais ont confirmé, pour des températures entre 950 et 1000 °C, l’élimination sélective et complète des zones nanoporeuses. Des tests ont alors été réalisés sur des déchets de graphite provenant des réacteurs Saint-Laurent-des-Eaux A2 et G2. Les résultats sont prometteurs avec notamment un quart du 14C extrait pour seulement quelques pourcents de perte de masse. Jusqu’à 68 % du 14C a pu être extrait, mais au prix d’une gazéification plus importante. Ce traitement permettrait donc d’extraire sélectivement une part du 14C (mobile ou lié à des zones nanoporeuses) et d’imaginer des scénarios alternatifs de gestion de ces déchets de graphite. / The decommissioning of French gas cooled nuclear reactors (UNGG), all arrested since 1994, will generate 23,000 tons of graphite waste classified Low Level and Long Lived and notably containing 14C. The aim of this thesis is to study a new method for selective extraction of this radionuclide by CO2 gasification.The multiscale organization of virgin and irradiated graphite has been studied by a coupling between microspectrometry Raman and transmission electron microscopy. With the neutron fluence, the structure degrades and the nanostructure can be greatly changed. In extreme cases, the lamellar nanostructure nuclear graphite has become nanoporous. Furthermore, these damages are systematically heterogeneous. An orientation effect of "crystallites", shown experimentally by ion implantation, could be a cause of these heterogeneities.This study also showed that from a specific fluence, there is an important development of nanoporous zones coinciding with a dramatic 14C concentration increase. This radionuclide could be preferentially concentrated in the nanoporous areas which are potentially more reactive than the remaining laminar areas which could be less rich in 14CThis process by CO2 gasification was firstly tested on "analogous" non-radioactive materials (mechanically milled graphite). These tests confirmed, for temperatures between 950 and 1000 °C, the selective and complete elimination of nanoporous areas.Tests were then carried out on graphite waste from Saint-Laurent-des-Eaux A2 and G2 reactors. The results are promising with notably the quarter of 14C inventory extracted for a weight loss of only few percent. Up to 68 % of 14C inventory was extracted, but with an important gasification. Thus, this treatment could allow extracting selectively a share of 14C inventory (mobile or linked to nanoporous areas) and allows imagining alternative scenarios for graphite waste managing.

L'exfoliation en phase liquide du graphite est l'une des méthodes les plus prometteuses pour augmenter la production et la disponibilité commerciale du graphène. Le processus d'exfoliation peut être décrit, de manière conceptuelle, en quatre étapes: le contact du graphite avec le liquide, l'intercalation du solvant entre les feuillets de graphène, la dispersion du matériau à deux dimension et sa stabilisation en phase liquide. Comme les liquides ioniques peuvent être facilement obtenus avec différentes structures moléculaires et donc des propriétés physicochimiques modulables, ils ont été utilisés dans cette thèse comme milieux liquides pour l'exfoliation du graphite. Notre objectif est d'optimiser l'exfoliation du graphite à travers la compréhension des mécanismes moléculaires et des interactions impliquées dans chaque étape du processus. Les énergies interfaciale graphite-liquide ont été calculées à partir de tensions de surface et d'angles de contact mesurées entre des liquides ioniques et du graphite pour déterminer l'affinité de différents liquides à la surface du graphite. Afin d'étudier cette interface liquide - solide, des simulations en dynamique moléculaire ont été menées pour analyser l'organisation des liquides ioniques à la surface du graphite. De même, l'énergie libre nécessaire pour créer des cavités au sein du liquide ionique a été calculée.Des simulations moléculaires ont également été réalisées pour modéliser l'exfoliation d'un feuillet de graphène à partir de graphite en apportant une vue microscopique de l'intercalation des molécules de solvant. L'énergie nécessaire à l'exfoliation a pu être calculée en présence de différents liquides. Des composés polyaromatiques ont été considérés comme des modèles pour le graphène car ils peuvent être facilement obtenus purs, sans variabilité de structure, défauts ou groupes fonctionnels non contrôlés. Les enthalpies de dissolution du naphtalène, anthracène et pyrène dans différents liquides ioniques ont été mesurées par calorimétrie en solution et liées à leur solubilité. L'organisation des ions autour de ces composés modèles a été étudiée par simulation moléculaire et spectroscopie Infra-Rouge.Après l'exfoliation, les échantillons de graphène en suspension dans différents liquides ioniques ont été caractérisés expérimentalement en termes de taille de feuillets (microscopie électronique à transmission et microscopie à force atomique), nombre de couches de graphène (microscopie à force atomique, spectroscopie Raman), concentration totale (spectroscopie UV-visible) et pureté du matériau exfolié (spectroscopie de photoélectrons~X). Vingt liquides ioniques différents à base de cations imidazolium, pyrrolidinium et ammonium et d'anions bis (trifluorométhylsulfonyl)imide, triflate, dicyanamide, tricyanométhanide et méthylsulfate ont été testés. Les interactions moléculaires permettant d'établir de règles de conception pour les liquides ioniques capables d'exfolier les matériaux carbonés ont été identifiées. Le cation pyrrolidinium a montré des résultats prometteurs dans toutes les étapes du processus d'exfoliation, par rapport au cation imidazolium ou ammonium. La sélection d'un grand anion flexible a réduit l'énergie interfaciale avec le graphite, dispersé les nanocarbones en augmentant l'entropie du système et stabilisé le graphite exfolié en plus grande quantité. Un petit anion tel que le triflate semble être favorable à l'obtention de graphène, même si la taille des couches et leur quantité sont réduites. Un liquide ionique ayant une partie apolaire importante facilitera l'insertion et la dispersion du nanomatériau de carbone. Pour la stabilisation du graphite, les interactions alkyle-π et π- π sont décisives. / The liquid-phase exfoliation of graphite is one of the most promising methods to increase production and commercial availability of graphene. The exfoliation process can be conceptually described in four steps: the contact of the graphite with liquid, the intercalation of the solvent between layers, the dispersion of the two dimensional material, and its stabilization in the liquid-phase. Because ionic liquids can be easily obtained with chosen molecular structures and tunable physicochemical properties, they were used in this study as liquid media for the exfoliation of graphite. Our aim is to optimize the exfoliation of graphite through the understanding of the molecular mechanisms and of the interactions involved in each step of the process.The liquid-graphite interfacial energies from measured surface tensions and contact angles, between ionic liquids and pristine graphite surface, were used to determine the affinity of different liquids at the surface of graphite. In order to investigate this interface, molecular dynamics simulations were conducted to analyse the ordering of ionic liquids at the surface of graphite. The free energies necessary to create cavities inside the bulk ionic liquid have also been studied.Molecular simulations were also used to study the exfoliation of one graphene layer from a stack of graphite and hence provide a microscopic view of the intercalation of solvent molecules. The energies involved in the process have been calculated.Polyaromatic compounds were regarded as models for graphene as they can be easily obtained pure, without structure variability, defects or uncontrolled functional groups. Enthalpies of dissolution of polyaromatic hydrocarbons (naphthalene, anthracene and pyrene) in different ionic liquids were measured by solution calorimetry and related with their solubility. The ordering of the ions around this model compounds were studied by molecular simulation and spectroscopy Infra-Red.After exfoliation, samples of suspended graphene in different ionic liquids have been characterized experimentally in terms of flake size (using transmission electron microscopy and atomic force microscopy), number of layers (atomic force microscopy, spectroscopy Raman), total concentration (UV-visible spectroscopy) and purity of the exfoliated material (X-ray photoelectron spectrometry).Twenty different ionic liquids based on imidazolium, pyrrolidinium and ammonium cations and on bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, triflate, dicyanamide, tricyanomethanide, and methyl sulfate have been tested. The molecular interactions have been identified thus allowing the establishment of design rules for ionic liquids capable of exfoliating carbon materials. The pyrrolidinium cation has shown promising results in all the steps of exfoliation process, compared to the imidazolium or ammonium cation. Selecting a large and flexible anion reduced the interfacial energy with graphite, dispersed the nanocarbons by increasing the entropy of the system and stabilized the exfoliated graphite in larger quantity. A small anion such as triflate appears to be favorable for obtaining graphene, whereas the size of the layers and their quantity is reduced. An ionic liquid having an important apolar portion will facilitate the insertion and dispersion of graphene layers. For the stabilization of graphite, the alkyl-π et π -π interactions are decisive.

Dans le domaine des hyperfréquences, les composants passifs actuellement commercialisés, de type circulateurs ou isolateurs, sont fabriqués de façon unitaire à partir des substrats de ferrite et avec des structures microruban ou triplaque. La miniaturisation et l'intégration des ces circulateurs nécessitent de disposer d'une couche mince magnétique qui possède des propriétés magnétiques proche des matériaux massifs. Ce travail s'intéresse donc à deux points particuliers pour la réalisation du circulateur : miniaturisation et fabrication collective. Les travaux relatés dans ce manuscrit ont pour objectif la conception et la réalisation d'un circulateur coplanaire à couche magnétique de YIG en bande X pour des applications en télécommunications. L'étude présentée débute la mise en place d'un processus de dimensionnement. A partir des travaux de Bosma, les règles de design sont mises en place de façon analytique pour un circulateur triplaque. Après avoir affiné les dimensions de façon numérique, les résultats sont transposés à la structure coplanaire et optimisés à l'aide d'un simulateur électromagnétique. Plusieurs structures de circulateur en couche mince et couche massive sont utilisées. Les épaisseurs vont de 16 à 1000 µm. Plusieurs séries de prototypes sont fabriquées puis caractérisées à partir d'un banc de mesure hyperfréquence composé d'un testeur sous pointes à trois accès et d'un analyseur vectoriel de réseaux. Les résultats expérimentaux de différents prototypes de différentes épaisseurs sont présentés tout en dressant une comparaison avec les rétro-simulations en 3D. Une réflexion sur les résultats généraux est réalisée et nous proposons des pistes pour l'amélioration des performances de nos prototypes.

Les cellules à hétérojonctions de silicium fabriquées par croissance de couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si :H) à basse température sur des substrats de silicium cristallin (c-Si) peuvent atteindre des rendements de conversion photovoltaïque élevés (η=23 % démontré). Les efforts de recherche ayant principalement été orientés vers le cristallin de type p jusqu'à présent en France, ce travail s'attache à l'étude du type n pour d'une part déterminer les performances auxquelles s'attendre avec cette nouvelle filière et d'autre part les améliorer. Pour cela, nous avons mis en œuvre des techniques de caractérisation des matériaux composant la structure et de l'interface (a-Si :H/c-Si) couplées à des outils de simulations numériques afin mieux comprendre les phénomènes de transport électronique. Nous nous sommes également intéressés aux cellules à hétérojonctions avec substrats de silicium multicristallin de type n, le silicium multicristallin étant le matériau le plus répandu actuellement dans la fabrication des cellules photovoltaïques.

Ce travail concerne l'étude de couches minces de " Diamond-Like Carbon " dopés au bore élaborées par ablation laser femtoseconde et nanoseconde. Un des objectifs de cette étude est d'identifier les applications potentielles de ces films en tant qu'élément actif de capteur (par exemple de température). Le deuxième objectif est de corréler la structure et les propriétés des films minces obtenus avec les procédés de dépôt employés. Le premier chapitre présente les éléments constitutifs des couches minces étudiées : le bore et le carbone. Ce chapitre propose également un état de l'art sur les films de DLC purs et dopés et les méthodes d'élaboration existantes. Le deuxième chapitre traite des méthodes expérimentales adoptées pour l'élaboration et l'étude des films. Le troisième chapitre traite des différentes caractérisations structurales et morphologiques réalisées. Il met en avant la nette différence de structure des films obtenus par les deux procédés de dépôt. De plus, il met en évidence la modification structurale due au bore. Le quatrième chapitre présente l'étude des propriétés électriques et mécaniques, ainsi que du comportement tribologique des films. La différence de structure des couches se traduit par de grandes différences de résistivité mais affecte peu le coefficient de frottement. Le dernier chapitre met en évidence l'hétérogénéité structurale des films de DLC purs et se focalise notamment sur les particularités de leur extrême surface. Celle-ci se révèle moins dense et plus conductrice que le reste du film.

Le transistor bipolaire a hétérojonction gaas/gaalas (tbh) présente de fortes potentialités pour l'amplification hyperfréquence de puissance. Ce mémoire constitue une contribution à l'optimisation d'un processus technologique de fabrication de ce transistor pour ce domaine d'application. Dans la première partie, une étude théorique du comportement électrique du T.B.H nous a permis d'établir un modèle électrique en régime statique et dynamique petit signal. A partir de ce modèle, nous avons étudié les phénomènes limitatifs des performances, en insistant sur la focalisation longitudinale du courant le long de l'émetteur et sur les phénomènes thermiques. Dans la seconde partie, nous dressons notre avant-projet de structure de puissance à partir de l'état de l'art publié dans la littérature et des moyens technologiques à notre disposition. Le troisième chapitre décrit de façon détaillée les travaux menés pour la mise en oeuvre et l'optimisation de chacune des étapes technologiques nécessaires a la réalisation de T.B.H de puissance: épitaxie des couches, réalisation des contacts, gravure ionique réactive des mesas, prise des contacts par des ponts a air. Dans la dernière partie, une caractérisation électrique précise tant en régime statique que dynamique, nous a permis d'extraire les paramètres du modèle électrique du T.B.H. Les performances fréquentielles atteintes par un transistor a un doigt d'émetteur de 10x2001#2 sont une fréquence de transition de 20 ghz et une fréquence maximale d'oscillation de 13 ghz. A 2 et 4 ghz, nous avons relevé une puissance dissipée en sortie de 650 mw avec un rendement en puissance ajoutée de 60%.

Ces travaux de doctorat proposent d'apporter une contribution à l'identification et à la compréhension des phénomènes limitant les performances de détecteurs de rayon X à base de CdTe:Cl développés pour des applications en radiographie. En effet, des inhomogénéités spatiales non-stables dans le temps sont observées dans la réponse de ces capteurs. Les défauts des cristaux utilisés pour la détection ont été caractérisés. Notamment, les dislocations révélées par attaque chimique et par topographie X présentent des arrangements en mur à la surface des échantillons, ces défauts sont majoritairement traversant dans toute l'épaisseur du cristal. Il a ensuite été montré que ces murs de dislocations sont responsables des inhomogénéités de photo-courant sous irradiation par des rayons X et de courant de fuite d'un détecteur à base de CdTe:Cl. De plus, les niveaux pièges dans le gap du CdTe ont été investigués par des méthodes de spectroscopie optique à basse température : les images de cathodoluminescence mettent en évidence le caractère non-radiatif des murs de dislocations, mais ne montrent pas l'apparition de la luminescence Y au niveau de ces défauts, normalement attribuée aux dislocations dans la littérature. Enfin, l'influence des murs de dislocations sur les propriétés de transport des porteurs de charge a été étudiée par la méthode " Ion Beam Induced Current " (IBIC) montrant qu'ils entraînent une diminution de la valeur du produit mobilité-temps de vie des électrons et des trous

Ce travail de thèse s'inscrit dans la cadre d'un projet ANR inter-Carnot " ReMaPoDe (Reliability Management of Power Devices) ". L'objectif général du projet est de réaliser un dispositif permettant d'évaluer en temps réel l'état de vieillissement d'un assemblage de puissance embarqué par le suivi de son état thermique et mécanique pendant son fonctionnement. L'essentiel du travail présenté dans ce mémoire consiste à mettre en évidence la relation entre le vieillissement mécanique d'un assemblage de puissance et les dérives électriques qui peuvent être observées. En outre, compte tenu des problèmes thermiques liés aux applications embarquées, la caractéristique électrique choisie comme indicateur doit être rendue indépendante des effets de la température. Ainsi, après un état de l'art consacré à la présentation des différents types de vieillissement et aux défaillances rencontrées dans les assemblages de puissance, nous distinguerons différentes caractéristiques électriques qui semblent prometteuses pour effectuer le suivi en temps réel de l'état de vieillissement mécanique d'un assemblage de puissance et ce malgré des variations de température ambiante et le vieillissement de certains matériaux constituant l'assemblage.

Ces travaux ont permis d'approfondir les connaissances du mécanisme de déchargepeu conventionnel de l'accumulateur Li/S et de ses limitations. L'ensemble desrésultats a convergé vers une unique conclusion, à savoir que le système Li/S estprincipalement limité par le phénomène de passivation de l'électrode positive en finde décharge. Les polysulfures de lithium à chaines courtes précipitent à la surface del'électrode positive de soufre. Isolants électroniques, ils sont responsables de la perteprogressive de surface active de l'électrode et de la fin prématurée de la décharge.Ainsi, les performances électrochimiques ont pu être significativement améliorées entravaillant sur la morphologie de l'électrode positive, et sur la composition del'électrolyte. En augmentant la surface spécifique de l'électrode, la quantité depolysulfures de lithium qui peut précipiter en fin de décharge est augmentée, et lapassivation totale de l'électrode est retardée. En augmentant la solubilité despolysulfures de lithium dans l'électrolyte, la précipitation des espèces est retardée etla décharge prolongée. Dans cette optique, les solvants de type PEGDME semblentêtre les plus prometteurs à ce jour. Enfin, un mécanisme possible de réduction dusoufre en électrolyte de type éther a pu être proposé.