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

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Dans cette thèse, différentes techniques de microscopie électronique à transmission et à balayage (STEM : scanning transmission electron microscopy) ont été améliorées et appliquées à plusieurs structures essentiellement à base de semiconducteurs. La création de nouveaux matériaux et dispositifs a été à l'origine du développement des civilisations et des méthodes de caractérisation expérimentales sont nécessaires pour étudier les nouvelles structures afin de les comprendre et de les améliorer. Avec le développement des nanotechnologies, la microscopie électronique est devenu un outil indispensable du fait de sa grande résolution spatiale et de la pléthore d'information qu'elle permet d'obtenir.Dans la première partie de cette thèse, les nombreux développements réalisés sont présentés. Plusieurs sous-techniques du STEM ont été améliorés : création de moirés obtenus par balayage (SMF : scanning moiré fringes), nano-diffraction électronique en mode précession (NPED : nano-beam precession diffraction) et haute résolution en STEM (HR-STEM). Ces développements permettent d'obtenir des cartographies quantitatives sur les déformations et les champs électriques et indirectement des informations chimiques.Dans la deuxième partie, les techniques développés sont utilisés pour étudier différentes structures et les résultats sont comparés à ceux d'autres techniques comme l'holographie et le contraste de phase différentielle (DPC : differentail phase contrast). Dans une structure photovoltaïque à base de matériaux II-VI, une accumulation d'un matériau II a été détectée aux interfaces grâce aux mesures des déformations. Des champs de déformations très faibles capitaux pour le fonctionnement des isolants topologiques à base de HgTe ont été mesurés. Des cartographies de déformation très précises ont été obtenues dans des transistors SiGe. Dans des couches AlN/GaN des cartographies de déformation et de champs électriques ont pu être réalisés simultanément révélant l'importance des dislocations. Des domaines d'inversion coeur-coquille ont été mis en évidence pour la première fois. Ils ont été observés dans de nombreux fils de GaN élaborés par épitaxie par jet moléculaires. Les positions des atomes dans un domaine d'inversion ont pu être mesurés à quelques picomètres près et comparés à des calculs ab-initio. / In this work, different scanning transmission electron microscopy (STEM) techniques have been developed and applied to several material systems. The creation of novel materials and devices has been a backbone of society’s development and characterization methods are needed to investigate these materials in order to understand and improve them. With the advent of nanotechnology, electron microscopy has become an invaluable tool, as it is able to visualize the atomic structure of thin samples and produces a plethora of quantifiable signals.In a first part, the numerous developments realized in this thesis are presented. Several STEM based techniques have been improved: scanning moiré fringes (SMF), nano-beam precession diffraction (NPED) and high-resolution STEM (HR-STEM). These developments allow for more accurate strain measurements, the quantitative mapping of electric fields and to realize accurate chemical profiles.In a second part, the developed methods are applied to different material systems and compared to more classical techniques, like holography and differential phase contrast (DPC). In a II/VI solar cell structure the interface chemistry is determined from strain with atomic resolution. Very faint strain gradients that are vital for the topological insulator properties of HgTe are measured. Accurate two-dimensional strain maps are obtained of a SiGe transistor. Simultaneous strain and electric field maps of m-plane AlN/GaN reveal the influence of dislocations in the material. Core-shell type inversion domains are described for the first time in GaN nanowires. They were found in many samples grown by molecular beam epitaxy. Thanks to quantitative analysis the exact atomic structure of inversion domains in GaN is described and compared to simulations.

De nos jours, les systèmes de communication sans fil et d'imagerie sont devenus indispensables. Ces applications, tant civiles que militaires, doivent avoir une sûreté de fonctionnement éprouvée, et ce dans tous les domaines dont celui de la compatibilité électromagnétique. Pourtant les circuits électroniques complexes au coeur de ces systèmes voient leur seuil de susceptibilité électromagnétique diminuer. Cette diminution est causée premièrement par une augmentation de la fréquence de fonctionnement des circuits et deuxièmement par la réduction de leurs tensions d'alimentation. Dans ce contexte, ce travail de thèse a pour but de mettre en avant les effets d'agressions électromagnétiques sur un système électronique hyperfréquence complexe en suivant une méthode de test. Le principe consiste à étudier chaque circuit du système indépendamment les uns des autres. Ces différents circuits sont ensuite associés pour former une boucle à verrouillage de phase (PLL). La susceptibilité du système global est alors étudiée. Pour ces études de susceptibilité, nous utilisons un banc de caractérisation électromagnétique en zone de champ proche. Les sondes à base de câbles coaxiaux sont caractérisées. Nous avons d'abord étudié l'effet d'un signal d'agression hyperfréquence sur le comportement d'une diode Schottky. Nous avons mis en évidence sur le système diode – ligne, des phénomènes de résonance sur les pistes du circuit imprimé. L'ensemble de cette étude nous sert d'approche préliminaire pour l'analyse de la susceptibilité de la boucle à verrouillage de phase. En suivant la méthodologie décrite précédemment nous avons pu montrer plusieurs effets d'agressions électromagnétiques sur des circuits électroniques actifs du type oscillateur, amplificateur et comparateur de phase. L'élaboration d'une hiérarchie de ces effets a permis de déterminer la contribution de chacun de ces circuits sur la susceptibilité électromagnétique du système PLL.

Ce mémoire traite de la modélisation tridimensionnelle des champs électriques et des champs magnétiques par la méthode des éléments finis. <br />Le premier chapitre consacré à l'étude des problèmes scalaires comporte, outre la formulation scalaire, une analyse exhaustive de l'application de cette formulation à la détermination directe des grandeurs intégrales. Les flux, les capacités et les inductances sont calculés à l'aide de la notion de co-énergie. L'évaluation des forces et couples fait appel au principe des travaux virtuels. La philosophie dégagée de cette méthodologie, nous a amené à imaginer une méthode d'évaluation de l'influence des paramètres géométriques et physiques sur les grandeurs intégrales.<br />Dans le deuxième chapitre nous étudions la formulation variationnelle des problèmes de magnétostatique dans lesquels le champ dérive d'un potentiel vecteur. Les conditions aux limites sont l'objet d'une attention particulière. Le problème de l'unicité de la solution est résolu en introduisant une formulation variationnelle qui utilise le principe de pénalité. Cette formulation est développée à la fois en coordonnées cartésiennes et cylindriques : ces dernières sont particulièrement bien adaptées à l'étude des machines tournantes. Bien entendu l'application de cette formulation au calcul des grandeurs intégrales découle de la méthode directe décrite dans le premier chapitre.<br />Dans le troisième chapitre, nous abordons l'étude de l'organisation générale des logiciels de calcul des champs. Nous proposons une structure de logiciel qui permette, en bidimensionnel comme en tridimensionnel, d'aborder les problèmes d'optimisation automatique ou assistée dans les meilleures conditions.

Ce travail a été effectué sur une expérience de déflexion d'un jet moléculaire par un champ électrique intense et inhomogène. Cette expérience permet de mesurer la polarisabilité et le dipôle électrique de molécules en phase gazeuse. Durant mon travail de thèse, la mise en place et la calibration d'un nouveau système de détection sensible en position, couplé à un spectromètre de masse à temps de vol, ont été réalisées. Une série d'expériences sur des molécules de benzène disubstitué a ensuite été réalisée. Ces mesures ont permis de mieux comprendre les profils de déflexion observés et l'interaction de molécules polaires isolées avec le champ électrique. En particulier, l'importance de la symétrie et du couplage rotation-vibration sur la déflexion du jet a été étudiée et analysée en détail.

Dans ce document, nous présentons une étude expérimentale du comportement d'une assemblée de particules colloïdales au voisinage d'une électrode plane, sous champ électrique alternatif. Nous mettons en évidence une fréquence limite en-deça de laquelle les particules forment des agrégats. Une ébauche de modèle est proposée afin d'expliquer les phénomènes observés.

Les mécanismes par lesquels les charges mécaniques et électriques agissent sur le tissu osseux dans son ensemble, et sur les ostéoblastes, en particulier, sont encore mal compris. La réponse des ostéoblastes soumis à un seul type de stimulus physique a été comparée à celle obtenue par des combinaisons de plusieurs signaux mécaniques et/ou électriques. Dans la perspective d'améliorer l'ostéointégration des biomatériaux, nos études ont porté principalement sur les deux composants essentiels pour le succès de la greffe d'un biomatériau : la matrice extracellulaire (MEC) qui sert d'interface entre le biomatériau et l'hôte ainsi que les facteurs angiogéniques. Nous avons étudié les réponses des ostéoblastes à des contraintes mécaniques complexes basées sur des signaux de " basse amplitude haute fréquence " (BAHF) appliquées à un modèle de culture 3D (hydroxyapatite macroporeux). Nous montrons donc qu'une stimulation mécanique simple (3Hz) peut être potentialisée par des BAHF appropriées (25 Hz). Un dispositif a été développé pour appliquer des contraintes mécaniques très BAHF sur des modèles de culture 2D. La synthèse de la MEC est favorisée et ses propriétés ostéogéniques sont augmentées sous BAHF. Les BAHF n'ont pas d'effet sur le VEGF. Un autre dispositif a permis d'appliquer un champ électrique aux cultures cellulaires. Quelques paramètres nous indiquent que les cellules perçoivent le champ électrique, mais nous retenons que le VEGF n'est pas affecté. En revanche, la combinaison de ces stimulations physiques (contrainte mécanique très BAHF et champ électrique) augmente l'expression de plusieurs facteurs impliqués dans l'angiogénèse (VEGF, TGFβ1, FGF2...). Les sollicitations complexes définies dans cette thèse pourraient être un outil pour fonctionnaliser un substitut osseux cellularisé

Cette thèse a eu pour objectif la synthèse de nanocristaux de semi-conducteur de forme allongée et leur assemblage contrôlé entre des électrodes. L'alignement de ces nanorods à grande échelle permet d'obtenir des matériaux ayant des propriétés optiques et électriques intrinsèquement anisotropes. Nous avons synthétisé des nanorods de CdSe dans une large gamme de rapports de forme (de 1,6 à 10), et des hétérostructures cœur sphérique de CdSe et coquille allongée de CdS. Nous avons utilisé les techniques de spectroscopie UV-vis et PL pour caractériser les propriétés optiques des nanorods ; leur morphologie et leur structure ont été étudiées par MET et diffraction des rayons X. La mise en œuvre d'un dispositif pour réaliser l'assemblage en parallèle de plusieurs électrodes a permis d'implémenter une technique rapide et reproductible. Bien que l'application d'un champ électrique seul permet de guider les nanorods entre les électrodes, le contrôle de l'assemblage et leur alignement est réalisé grâce à l'application simultanée d'un champ électrique et d'une excitation ultraviolette pendant l'évaporation d'une goutte de solution colloïdale. Différents paramètres expérimentaux ont été explorés pour identifier leurs influences sur les assemblages. Ces derniers ont ensuite été caractérisés par des techniques de microscopie (électronique à balayage et optique), révélant un degré d'alignement considérable des nanorods de CdSe selon les lignes de champ électrique quand il y a l'action synergique d'un champ électrique et d'une source UV.

La compréhension des processus de corrosion est un élément majeur de l'étude de la durabilité des matériaux en environnements agressifs. C'est dans ce cadre que ce travail de thèse se situe. L'objectif est d'apporter un nouvel éclairage sur les processus de corrosion du nickel en milieu aqueux en utilisant la simulation par dynamique moléculaire avec un champ de force réactif " ReaxFF ".Nous nous sommes particulièrement intéressé aux réactions entres les molécules d'eau et les surfaces monocristallines de nickel. Ces résultats ont montré aucune dissociation de l'eau sur les surfaces. Par ailleurs, une adsorption des molécules en bicouche a été constatée, traduisant la polarisation mutuelle entre l'eau et le nickel, ce que confirme le calcul de charges. La surface du métal s'est chargée positivement alors que la première couche d'eau se charge négativement, reproduisant la double couche électrique. L'introduction d'un champ électrique extérieur a conditionné la réaction entre l'eau et le nickel. La présence du champ a permis d'observer les différentes étapes d'oxydation du nickel : l'adsorption des molécules d'eau puis leurs dissociations en OH- et H3O+. La dissolution des atomes de nickel à la surface puis la pénétration de O dans Ni. Ces processus d'oxydation sont répétés au cours du temps pour obtenir le film d'oxyde. L'épaisseur du film d'oxyde dépend linéairement de l'intensité du champ électrique. La cinétique d'oxydation est améliorée pour la surface (110) par rapport aux autres surfaces étudiées. L'étude de l'oxydation d'un bicristal de nickel a montré des processus identique. Par ailleurs, nous avons constaté que les premiers germes d'oxydation se sont produits au niveau des joints de grains et se sont propagés sur toute la surface. L'ensemble de ces résultats est en bon accord avec les observations expérimentales