Ce mémoire présente une étude des propriétés de conduction électrique et de la dynamique temporelle des porteurs de charges dans des nanofils de silicium sondés par rayonnement térahertz. Les cas de nanofils de silicium non intentionnellement dopés et dopés type n sont comparés pour différentes configurations du montage expérimental. Les mesures de spectroscopie térahertz en transmission montre qu'il est possible de détecter la présence de dopants dans les nanofils via leur absorption du rayonnement térahertz 1 — 12 meV). Les difficultés de modélisation de la transmission d'une impulsion électromagnétique dans un système de nanofils sont également discutées. La détection différentielle, une modification au système de spectroscopie térahertz, est testée et ses performances sont comparées au montage de caractérisation standard. Les instructions et des recommandations pour la mise en place de ce type de mesure sont incluses. Les résultats d'une expérience de pompe optique-sonde térahertz sont également présentés. Dans cette expérience, les porteurs de charge temporairement créés suite à l'absorption de la pompe optique (À N 800 nm) dans les nanofils (les photoporteurs) s'ajoutent aux porteurs initialement présents et augmentent donc l'absorption du rayonnement térahertz. Premièrement, l'anisotropie de l'absorption térahertz et de la pompe optique par les nanofils est démontrée. Deuxièmement, le temps de recombinaison des photoporteurs est étudié en fonction du nombre de photoporteurs injectés. Une hypothèse expliquant les comportements observés pour les nanofils non-dopés et dopés-n est présentée. Deuxièmement, la photoconductivité est extraite pour les nanofils non-dopés et dopés-n sur une plage de 0.5 à 2 THz. Un lissage sur la photoconductivité permet d'estimer le nombre de dopants dans les nanofils dopés-n. [symboles non conformes]

Ce travail de thèse a permis le développement d'adhésifs conducteurs électrique et thermique pour des applications spatiales. Il commence par la synthèse des nanotubes de carbone double paroi (DWCNTs) par CCVD. Ces DWCNTs ou des MWCNTs commerciaux sont dispersés par voie solvant avec des microparticules d'argent (µAg) dans une matrice époxy (EP). Une caractérisation des composites (EP + µAg + DWCNTs et EP + µAg + MWCNTs) s'ensuit : étude de la microstructure, des conductivités électrique et thermique et des propriétés mécaniques. Deux types d'essais de vieillissement permettent enfin de montrer des propriétés électriques stables dans le temps et des propriétés de tenue mécanique supérieures aux adhésifs conducteurs thermiques actuellement utilisés dans le domaine spatial.

La structure du gap supraconducteur et sa modulation sont intimement liées au potentiel d'interaction responsable de l'appariement des électrons d'un supraconducteur. Ainsi, l'étude de la structure du gap-SC et de sa modulation permet de faire la lumière sur la nature du mécanisme d'appariement des électrons. À cet égard, les résultats expérimentaux des supraconducteurs à base de fer ne cadrent pas dans un seul ensemble, ce qui est en opposition au gap-SC universel des cuprates. Dans ce qui suit, nous présenterons une étude systématique du gap-SC pour plusieurs pnictides. En effet, en utilisant la conductivité thermique, une sonde directionnelle du gap-SC, nous avons été en mesure de révéler la structure du gap-SC pour les composés suivants : Ba[indice inférieur 1-x]K[indice inférieur x]Fe[indice inférieur 2]As[indice inférieur 2], Ba(Fe[indice inférieur 1-x]Co[indice inférieur x])[indice inférieur 2]As[indice inférieur 2], LiFeAs et Fe[indice inférieur 1-[delta]] Te[indice inférieur 1-x]Se[indice inférieur x]. L'étude de ces quatre composés, de trois différentes familles structurales, a pu établir un tableau partiel mais très exhaustif de la structure du gap-SC de pnictides. En effet, tel qu'illustré dans cette thèse, ces quatre composés ne possèdent aucun noeud dans leur structure du gap-SC à dopage optimal. Toutefois, à une concentration différente de celle optimale pour les composés K-Ba122 et Co-Ba122, des noeuds apparaissent sur la surface de Fermi, aux extrémités du dôme supraconducteur. Ceci suggère fortement que, pour ces composés, la présence de noeuds sur la surface de Fermi est nuisible à la phase supraconductrice.

Le séléniure de fer, FeSe, est un matériau prometteur qui attire beaucoup d'attention depuis qu'il a décroché le record de la température critique la plus élevée chez les supraconducteurs à base fer. L'absence d'une phase magnétique à proximité de sa phase supraconductrice cause un questionnement sur la nature du mécanisme d'appariement des électrons dans ce supraconducteur. La symétrie avec laquelle ce mécanisme opère peut être déterminée en identifiant la structure et la symétrie du gap supraconducteur du FeSe. Plusieurs études du gap ont été menées, mais elles n'ont pas permis d'arriver à un consensus. Certaines mesures détectent des noeuds dans le gap supraconducteur tandis que d'autres rapportent un gap non nodal. L'incapacité à réconcilier les données existantes est en partie due au manque de mesures effectuées sur des monocristaux propres étant capables de résoudre des excitations à très basse énergie. Ce mémoire présente une étude du gap supraconducteur du FeSe utilisant la mesure de la conductivité thermique dans la limite où la température tend vers zéro comme sonde. Dans ce régime de température, il a été possible d'examiner les excitations à très faible énergie de l'état supraconducteur à l'aide d'un champ magnétique finement ajusté. De cette manière, un portrait très détaillé de la dispersion en énergie des quasiparticules a été dressé. Nous ne détectons pas de quasiparticules à énergie nulle et excluons donc la présence de noeuds sur le gap supraconducteur. Nous observons un comportement de supraconducteur à deux bandes, suggérant que les deux poches de la surface de Fermi ont des gaps différents dont les amplitudes diffèrent par un facteur 10. De plus, la grandeur du plus petit de ces deux gaps varie lorsque le niveau de désordre du matériau change, ce qui suggère que le petit gap est anisotrope. Cette dernière observation permet de réconcilier les études antérieures puisqu'une anisotropie du gap peut engendrer des noeuds accidentels sur le gap si le niveau de désordre du matériau est suffisament bas. Quelques études très récentes, parues en même temps que les résultats présentés ici, corroborent le scénario proposé et sont présentées à la fin du mémoire.

Les transferts de chaleur constituent la base de nombreux processus industriels qui sont présents dans notre vie quotidienne. L’intensification de ces échanges et l’amélioration du rendement sont devenues aujourd’hui une problématique majeure dans le monde industriel, des organismes de réglementation mais aussi de la société dans son ensemble, qui prend conscience de l’épuisement progressif des ressources énergétiques et qui se soucie de l’avenir en matière énergétique. Face à ces enjeux énergétiques et environnementaux, Le défi technologique réside dans le développement de nouveaux processus pour une meilleure gestion de l’énergie. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce cadre, et concerne particulièrement les problèmes liés à l’intensification des échanges thermiques dans les échangeurs de chaleur. Les améliorations des échanges thermiques dites ‘passives’ sont une voie déjà largement élaborée et atteignent leurs limites. De nouvelles stratégies d’optimisation doivent donc être étudiées. Une de ces stratégies consiste à améliorer les propriétés thermiques des fluides caloporteurs utilisés dans les systèmes thermiques, notamment dans les échangeurs de chaleur. Des progrès importants en chimie ont permis dès la fin des années 90 de synthétiser des particules de taille nanométrique, qui, dispersées dans un liquide porteur, constituent des nanofluides. Leur synthèse répond au besoin d’améliorer les propriétés thermiques des fluides caloporteurs en y insérant une phase solide de conductivité thermique très élevée. Le fil directeur de ce travail consiste donc à caractériser de manière approfondie le comportement thermique et rhéologique des nanofluides à base de nanotubes de carbone NTC utilisés tout au long de ce travail afin de quantifier les principaux paramètres influençant leurs propriétés thermo-physiques et les phénomènes physiques régissant l’intensification des transferts thermiques induits par ces nanofluides. Une analyse des travaux de recherche antérieurs a été menée dans le but de s’affranchir des différents paramètres qui peuvent influencer le comportement thermique et rhéologique des nanofluides dont on citera les paramètres liés à la composition des nanofluides (fraction volumique des NTC, type de surfactant, rapport d’aspect des NTC), la température, le fluide de base… Suite à cette étude, nous avons mené une étude expérimentale sur les propriétés thermo-physiques des nanofluides testés (conductivité thermique, viscosité dynamique, masse volumique) et sur les performances thermiques dans un échangeur de chaleur. Nous avons présenté également une analyse des résultats de façon à étudier l’influence des paramètres évoqués ci-dessus. Les résultats obtenus sont comparés et discutés vis-à-vis des modèles classiques existants, en proposant des améliorations et des interprétations selon les tendances obtenues. Les résultats prometteurs de cette étude sont très encourageants et montrent que l’utilisation des nanofluides à base de nanotubes de carbone offre clairement une amélioration des performances thermiques par rapport aux fluides de base classiques. Les nanofluides à base de NTC peuvent constituer ainsi un débouché prometteur des transferts thermiques et présentent de bonnes perspectives et développement. / Heat transfer is one of the most important industrial processes in our daily lives. Nowadays, the intensification of the heat transfer and the improving of the energy efficiency have become a major problem in industry, regulatory agencies, and also the society that becomes conscious of the progressive exhaustion of the world’s energy resources and cares about the future of energy. Due to these energy and environmental issues, the technological challenge is to develop new processes for better energy management. This work fits in that context and applies particularly the problems associated to the improvements of heat exchanger’s energy efficiency. The conventional methods for increasing the heat transfer in heat exchangers have already been extensively explored and have reached their objective limits. There is therefore an urgent need for new strategies with improved performances. The novel concept of improving the thermal properties of the working fluids used in thermal system, especially in heat exchangers, has been proposed as a means of meeting these challenges. The innovative concept of nanofluids heat transfer fluids consisting of suspended of nanoparticles with very high thermal conductivities has been proposed for these challenges. The aim of this work is therefore to characterize profoundly the thermal and the rheological behavior of nanofluids containing carbon nanotubes CNTs used throughout of this work. This is in order to quantify the main parameters influencing their thermophysical properties and physical phenomena governing the intensification of heat transfer induced by these nanofluids. An analysis of previous researches has been conducted for the purpose of establishing various parameters that may influence the thermal and rheological behavior of nanofluids, which including the parameters related to the composition of nanofluids (volume fraction of CNTs, type of surfactant, aspect ratio of CNTs), the temperature, the base fluid... Following this study, experiments have been carried out on the thermal physical properties of tested nanofluids (thermal conductivity, dynamic viscosity, density) and thermal performances in a heat exchanger. Analyses of the results have been presented in order to study the influence of the abovementioned parameters. The results obtained are compared and discussed vis-à-vis the existing conventional models, suggesting improvements and interpretations according to the trends obtained. The promising results of this study are very encouraging and show that the use of nanofluids containing carbon nanotubes clearly improved the thermal performances compared to the conventional base fluids. The CNT-based nanofluids can thus be a promising candidate for heat transfer and presents good perspective and development.

La mise en place de nouvelles normes, de plus en plus contraignantes, est un défi pour l’élaboration de nouveaux matériaux résistants à haute température. Le premier objectif de l’étude est de mettre au point un panneau – coupe-feu 2h à base de plâtre. Il devra présenter à la fois de bonnes qualités d’isolant thermique et des propriétés mécaniques suffisantes pour maintenir l’intégrité d’un ouvrage d’art. Le second objectif est de comprendre, d’une part, l’influence de divers paramètres sur le phénomène de prise du plâtre et d’autre part, de déterminer les propriétés thermomécaniques du composite. Ce type de matériau est obtenu par l’association d’eau, d’une matrice céramique composée essentiellement de sulfate de calcium dihydraté et de charges utilisées en tant que renforts thermiques et/ou mécaniques.Dans une première partie, l’étude porte essentiellement sur la matrice pour laquelle une granulométrie permettant d’optimiser les propriétés mécaniques est déterminée. La matrice est ensuite caractérisée chimiquement. Une étude par calorimétrie isotherme de la réaction d’hydratation du sulfate de calcium semihydraté (plâtre) est réalisée afin de comprendre le mécanisme de prise du plâtre et de maîtriser les temps de prise. Pour cela, on étudie l’influence de la taille des grains, de la quantité d’eau, de la composition chimique du plâtre et de la présence ou non d’adjuvants sur la cinétique d’hydratation du plâtre.Dans une seconde partie, les renforts nécessaires à l’élaboration du composite sont sélectionnés. Les relations entre les quantités de charges et les propriétés thermomécaniques (conductivité thermique, module d’Young, dureté Shore C) du système sont étudiées. Ainsi, une modélisation du comportement du composite sous sollicitations thermique et mécanique est proposée. Cette étude a permis de définir une formulation de panneau présentant de très bonnes propriétés thermiques et des propriétés mécaniques suffisantes pour assurer l’intégrité d’un ouvrage d’art en cas d’incendie. La formulation mise au point a fait l’objet d’un dépôt de brevet (n° BIP207506FR00 en décembre 2010). Cette formulation est actuellement commercialisée par la société EXTHA sous forme de plaques. / The increase of prevention and the introduction of more and more restrictive standards are challenges for the development of new materials resistant to high temperatures. The aim of the study is to develop a fire panel with both good properties of thermal insulator (low thermal conductivity, fumes tightness) and mechanical properties sufficient to maintain a structure integrity in case of fire.That kind of material is composed of an inorganic matrix mainly composed of calcium sulfate dihydrate and of additives used as thermal and mechanical reinforcements. The first part of the study is focused on the matrix, especially on the determination of a particle size distribution for which the mechanical properties are optimized. Then, the matrix is chemically characterized. A study by isothermal calorimetry of the hydration reaction of the calcium sulfate hemihydrate (plaster) is conducted to understand the mechanism of hydration and to control setting times. For this, the influence of the grain size, of the quantity of water, of the chemical composition of plaster, of additives on the kinetics of hydration of the plaster is studied. The second part of this work resumes the different steps of the selection of additives. After that, the relation between the microstructure and thermo - mechanicals properties (thermal conductivity, Young modulus, Shore C hardness) of the system is studied.This study has permitted to establish a panel formulation having very good thermal and mechanical properties to ensure building integrity in case of fire. The formulation has been patented in December 2010 (No BIP207506FR00) and it is currently marketed as panels by Extha.

Ce travail est consacré à l’élaboration et l’étude des propriétés catalytiques, électriques et magnétiques denanomatériaux à base de ferrite de cobalt. Les nanopoudres de ferrite de cobalt (CoxFe3-xO4 , x=0.6,1,1.2,1.8 ) ont étéélaborées par une nouvelle méthode chimique solvo-thermale. Les nanopoudres obtenues sont très bien cristallisées ontdes tailles de particules qui varient avec le taux de cobalt entre 4 et 7 nm et sont très homogènes en composition. Lesnanopoudres de ferrites de cobalt sont monophasées, de structure spinelle avec un paramètre de maille qui varie enfonction du taux de cobalt. Les nanopoudres de ferrites de cobalt ne s’oxydent pas sous air et en température .Lesnanopoudres de composition proches de x=1 sont stables jusqu’à 900°C, alors que pour de plus forts écarts à lastoechiométrie, des transformations de phase ont lieu au delà de 550°C.Les mesures catalytiques ont mis en évidence l’oxydation de CH4 en CO2 après passage sur le catalyseur pour tous leséchantillons. L’efficacité catalytique est maximale et l’énergie d’activation est la plus faible pour l’échantillon x=1.8 ;ceci est lié à la plus grande surface spécifique, et au plus fort taux de sites actifs pour cette composition.Les ferrites de cobalt élaborées présentent une conduction de type électronique avec un comportement semi conducteurjusqu’à 500-600°C et un comportement métallique au-delà. Les variations de conductivité d’une composition à l’autres’expliquent par les variations du nombre de paires [Co2+,Fe3+].Les nanoparticules ont un comportement superparamagnétique quelle que soit la composition. Ce comportement estdû principalement à un effet de taille et de forme, et à une distribution cationique différente entre les deux types desites tétraédriques et octaédriques de la structure spinelle. Ces ferrites présentent une aimantation à saturation prochede celle de l’état massif, du fait de la grande qualité cristalline attribuée à la méthode d’élaboration mise au point. / This work is devoted to the synthesis and the study of the physical properties of cobalt ferrite nanomaterials. Thecobalt ferrite nanopowders (CoxFe3-xO4 , x=0.6,1,1.2,1.8 ) were synthesized by a new solvo thermal chemical route.The nanopowders are highly crystallized, very homogeneous in size and chemical composition. The nanopowderssizes are ranged from 4 nm for high cobalt content to 7 nm for low cobalt content. They are single phased, with thespinel structure, and a cell parameter varying with the cobalt content. The cobalt ferrites do not oxidize, when heatedunder air. For compositions near x=1, the cobalt ferrites are stable when heated under air up to 900°C, as for the othercompositions, phase transformations occur above 550°C.The catalytic measurements have shown the oxidation of CH4 into CO2 in presence of the catalyst for all thecompositions. Cobalt ferrite with composition x=1.8, presents the lowest activation energy and the best catalyticefficiency; this can be related to the great specific surface and the high rate of active sites for this composition.Concerning the conduction properties, the cobalt ferrites exhibit a semiconductor character up to 500-600 ° C and ametallic one above. Changes in conductivity from a composition to another are explained by changes in the number ofpairs [Co2+, Fe3+].A superparamagnetic behaviour was evidenced whatever the composition. This is due for one part to a size and shapeeffect and for the other part to different cationic distribution between tetrahedral and octahedral sites. These ferriteshave a saturation magnetization close to that of the massive state, because of the high crystallinity of the nanopowders,attributed to the synthesis method developed in this work.

Dans le domaine de l'électronique souple, les substrats flexibles à base de polymères sont de plus en plus utilisés. Si dans les prochaines années, les structures de propagation mises en œuvre sur ce type de substrat véhiculent une puissance, alors la connaissance de la conductivité thermique de ces matériaux est essentielle. Dans ce travail, nous mesurons la conductivité thermique de matériaux de type polymère en utilisant la méthode 3 omégas. Des mesures ont été effectuées sur du polydiméthylsiloxane (PDMS). Un procédé technologique particulier est utilisé pour la fabrication des échantillons de PDMS. De ce fait, les conducteurs métalliques sont encapsulés dans le polymère et non en surface de ce dernier. Mais cela est sans conséquence sur les valeurs de conductivité thermique mesurées. Les procédés photolithographiques utilisés traditionnellement pour réaliser les lignes métalliques sont coûteux et longs. Par conséquent, nous proposons pour ce type de matériaux une méthode alternative pour la réalisation des lignes conductrices grâce à la technologie d'impression par jet d'encre. Les conductivités thermiques du polyimide et polyétheréthercétone ont été mesurées en utilisant la méthode 3omega combinée à la technologie d'impression par jet d'encre.Des simulations numériques basées sur la méthode des éléments finis ont été développées au cours de la thèse. Les mesures expérimentales obtenues sont comparées aux résultats obtenus par une solution analytique et par notre modélisation numérique.Ainsi durant cette thèse nous montrons avec succès la possibilité d'utiliser la technologie d'impression jet d'encre pour mesurer la conductivité thermique d'un substrat souple. / The characterization of polymers is gaining a great attention as they are one of the main constituents of future flexible or organic electronics. Given the fact that thermal management is an important issue in the frame work of flexible electronics, the knowledge of the thermal conductivity of polymer materials is needed. In this work, we propose the measurement of polymer material thermal conductivity using the three omega method. This method requires heating a metallic line conductor placed on the surface of the material under test by an alternating current source. The first measurements were done on polydimethyl siloxane (PDMS) polymer material for which a special procedure that consists in embedding the metallic line conductors near the surface has been applied.In addition to the well-known limitations of photolithography process which are the cost and the process duration, a particular concern lies in the fabrication of the metallic conductors by such process which might be destructive in case of polymer materials. Consequently, we propose an alternative method for this kind of materials based on inkjet printing technology. The thermal conductivities of polyimide and polyetherether ketone have been successfully measured using the three omega method combined with inkjet printing technology for sample preparation. Numerical simulations using finite element method (FEM) are also performed. Finally, experimental measurements are compared to Cahill’s analytical solution and FEM modelling. The overall results demonstrate that the inkjet printing technology is a good candidate for the characterization of flexible materials in terms of thermal conductivity.

Résumé non disponible

La mise en place de nouvelles normes, de plus en plus contraignantes, est un défi pour l'élaboration de nouveaux matériaux résistants à haute température. Le premier objectif de l'étude est de mettre au point un panneau - coupe-feu 2h à base de plâtre. Il devra présenter à la fois de bonnes qualités d'isolant thermique et des propriétés mécaniques suffisantes pour maintenir l'intégrité d'un ouvrage d'art. Le second objectif est de comprendre, d'une part, l'influence de divers paramètres sur le phénomène de prise du plâtre et d'autre part, de déterminer les propriétés thermomécaniques du composite. Ce type de matériau est obtenu par l'association d'eau, d'une matrice céramique composée essentiellement de sulfate de calcium dihydraté et de charges utilisées en tant que renforts thermiques et/ou mécaniques.Dans une première partie, l'étude porte essentiellement sur la matrice pour laquelle une granulométrie permettant d'optimiser les propriétés mécaniques est déterminée. La matrice est ensuite caractérisée chimiquement. Une étude par calorimétrie isotherme de la réaction d'hydratation du sulfate de calcium semihydraté (plâtre) est réalisée afin de comprendre le mécanisme de prise du plâtre et de maîtriser les temps de prise. Pour cela, on étudie l'influence de la taille des grains, de la quantité d'eau, de la composition chimique du plâtre et de la présence ou non d'adjuvants sur la cinétique d'hydratation du plâtre.Dans une seconde partie, les renforts nécessaires à l'élaboration du composite sont sélectionnés. Les relations entre les quantités de charges et les propriétés thermomécaniques (conductivité thermique, module d'Young, dureté Shore C) du système sont étudiées. Ainsi, une modélisation du comportement du composite sous sollicitations thermique et mécanique est proposée. Cette étude a permis de définir une formulation de panneau présentant de très bonnes propriétés thermiques et des propriétés mécaniques suffisantes pour assurer l'intégrité d'un ouvrage d'art en cas d'incendie. La formulation mise au point a fait l'objet d'un dépôt de brevet (n° BIP207506FR00 en décembre 2010). Cette formulation est actuellement commercialisée par la société EXTHA sous forme de plaques.