Dans cette thèse, nous présentons des études théoriques de matériaux pérovskites sous con-trainte mécanique uniaxiale en combinant les calculs de premier principe DFT ainsi quela théorie phénoménologique de type Landau. Les pérovskites ABO3 forment une classetrès importante de matériaux fonctionnels, qui peuvent présenter un large éventail de pro-priétés (e.g., supraconductivité, magnétisme, ferroélectricité, multiferroïcité, transitionsmétal-isolant. . . ) grâce aux petites distorsions d’ une même structure prototype cubique.Bien que ces composés aient été largement étudiés expérimentalement et théoriquement, ilreste encore des questions importantes et non résolues concernant les effets de contraintesuniaxiales. Au cours de ces dernières années, l’ ingénierie de contrainte a été décrite commeune approche originale pour ajuster les propriétés ferroélectriques pérovskites ABO3. Alorsque les effets de tension épitaxié-biaxiale et pression la hydrostatique, sont plutôt bien com-pris dans cette classe de matériaux, très peu est connu en ce qui concerne l’ effet des con-traintes mécaniques uniaxiales. Notre étude est motivée par ce manque de compréhensionactuelle de l’ effet de tension et compression uniaxiale, qui a été jusqu’à présent presquetotalement négligé. Deux composés prototypes sont étudiés dans le détail: PbTiO3 etSrTiO3. Après une introduction générale sur les composés ABO3 et les calculs techniques(ab initio et modèle phénoménologique de Landau), nous avons étudié l’ effet de contraintesmécaniques sur ces matériaux dans notre thèse.PbTiO3 est un composé ferroélectrique prototypique et également l’ un des composantsmère de la solution solide Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), qui est le piézoélectrique le plus largementutilisé dans des applications. Pour PbTiO3, nous avons montré que indépendammentde la contrainte mécanique uniaxiale appliquée, le système conserve un état fondamentalpurement ferroélectrique avec la polarisation alignée, soit le long de la direction de lacontrainte (en phase FEz) ou bien le long d’ un des axes pseudo-cubique, qui lui estperpendiculaire (phase de FEx). Cela contraste avec les cas de contraintes mécaniquesisotropes ou bi-axial, pour qui de nouvelles phases combinant des modes ferroélectriqueset antiferrodistortives ont déjà été décrites. Sous contrainte uniaxiale, PbTiO3 passe d’unétat fondamental FEx sous compression à un état fondamental FEz en tension au-delà d’une tension critique !czz! +1%. Sous contrainte uniaxiale, PbTiO3 présente soit un étatfondamental FEx sous compression ("zz < 0) ou un état fondamental de FEz sous tension("zz > 0). Cependant, ici, un brusque saut des paramètres structuraux est prévu sousdes contraintes de compression et de traction à des valeurs critiques "zz! +2 GPa et −8GPa. Ce comportement semble similaire à celui pré-prédit sous pression isotrope négativeet pourrait se révéler utile en pratique pour améliorer la réponse piézoélectrique dans lesnano-composants.Le deuxième composé intéressant est SrTiO3. Il a été largement étudié au cours desdernières décennies, en raison de ses propriétés exceptionnelles à basse température. Dansce travail, nous avons élargi nos précédentes études de PbTiO3, en explorant théorique-ment les effets de pression sur la perovskite SrTiO3, combinant les premiers principes decalculs et un modèle phénoménologique de type Landau. Nous avons discuté de l’évolutiondes fréquences des phonons de SrTiO3 des trois cas de contraintes isotrope, uniaxial ettensions biaxiaux en utilisant les calculs de premier principe. Nous confirmons des travauxexpérimentaux précédents sur SrTiO3 que ça soit en contrainte épitaxiée ou sous pressionhydrostatique. Enfin, nous avons calculé de diagramme de phase de SrTiO3 sous contrainteuniaxiale, obtenue à partir de la théorie de Landau que nous avons comparé aux calculsde premier principe. / In the present thesis we present theoretical studies of perovskite compounds under uniax-ial mechanical constraints combining first-principles DFT calculations approach and phe-nomenological Landau theory. ABO3 perovskites form a very important class of functionalmaterials that can exhibit a broad range of properties (e.g., superconductivity, magnetism,ferroelectricity, multiferroism, metal-insulator transitions. . . ) within small distortions ofthe same simple prototype cubic structure. Though these compounds have been exten-sively studied both experimentally and computationally, there are still unresolved issuesregarding the effect of pressure. In recent years, strain engineering has reported to bean original approach to tune the ferroelectric properties of perovskite ABO3 compounds.While the effect of epitaxial biaxial strain and hydrostatic strain is rather well understoodin this class of materials, very little is yet known regarding the effect of uniaxial mechanicalconstraints. Our study is motivated by the little existing understanding of the effect ofuniaxial strain and stress, that has been up to now almost totally neglected. Two proto-type compounds are studied in detail: PbTiO3 and SrTiO3. After a general introductionon ABO3 compounds and calculations techniques (ab initio and phenomenological Landaumodel), we studied the effect of mechanical constraints in these compounds in our thesis.PbTiO3 is a prototypical ferroelectric compound and also one of the parent components ofthe Pb(Zr,Ti)O3 solid solution (PZT), which is the most widely used piezoelectrics. ForPbTiO3, we have shown that irrespectively of the uniaxial mechanical constraint applied,the system keeps a purely ferroelectric ground-state, with the polarization aligned eitheralong the constraint direction (FEz phase) or along one of the pseudocubic axis perpen-dicular to it (FEx phase). This contrasts with the case of isotropic or biaxial mechanicalconstraints for which novel phases combining ferroelectric and antiferrodistortive motionshave been previously reported. Under uniaxial strain, PbTiO3 switches from a FEx groundstate under compressive strain to FEz ground-state under tensile strain, beyond a critical strain !czz! +1%. Under uniaxial stress, PbTiO3 exhibits either a FEx ground state undercompression ("zz < 0) or a FEz ground state under tension ("zz > 0). Here, however, anabrupt jump of the structural parameters is also predicted under both compressive andtensile stresses at critical values "zz! +2 GPa and −8 GPa. This behavior appears similarto that predicted under negative isotropic pressure and might reveal practically useful toenhance the piezoelectric response in nanodevices.The second compound of interest is SrTiO3. It has been widely studied in the past decadesdue to its unusual properties at low temperature. In this work, we have extended ourprevious investigations on PbTiO3 by exploring theoretically the pressure effects on per-ovskite SrTiO3 combining the first-principles calculations and a phenomenological Landaumodel. We have discussed the evolution of phonon frequencies of SrTiO3 with the threeisotropic, uniaxial and biaxial strains using first-principles calculations. We also reproducethe previous work done in SrTiO3 with epitaxial strain and hydrostatic strain. Finally,we have calculated the phase diagram of SrTiO3 under uniaxial strain, as obtained fromLandau theory and discussed how it compares with the first-principles calculations.

La corrosion sous contrainte (CSC) est un phénomène synergique d'endommagement qui résulte d'un processus de corrosion (dissolution, adsorption) et d'une rupture mécanique (fissuration). Les mécanismes de couplage mécano-électrochimique en pointe de fissure nécessaires à la compréhension du phénomène sont encore mal connus puisqu'ils dépendent du système d'étude (métal/milieu agressif) et font intervenir de nombreux facteurs mécaniques et électrochimiques. Dans cette thèse, nous nous proposons d'étudier les interactions réciproques entre la dissolution et l'état de contrainte mécanique en pointe de fissure (facteurs d'intensité des contraintes) pour le cas du Zircaloy-4 en milieu aqueux halogéné. Les éprouvettes sont d’abord pré-fissurées par fatigue à l’air avec la technique du Load-Shedding, ce qui permet alors de maîtriser le facteur d’intensité des contraintes résiduel de pré-fissuration par fatigue. Ensuite, une pré-oxydation thermique est réalisée pour produire une couche de film passif sur les surfaces de l’éprouvette. Les réactions électrochimiques sont alors concentrées en pointe de fissure qui induit également une concentration des effets mécaniques. Des techniques de corrélation d'images sont développées dans le but d'identifier les facteurs d'intensité des contraintes et d'estimer la longueur de fissure en temps réel. Ainsi des essais originaux de CSC, permettant d'imposer les facteurs d'intensité en pointe de fissure, sont conduits et les résultats montrent alors clairement les effets synergiques entre l'évolution des mesures mécaniques et des courants de dissolution. D'autre part, l'existence d'un facteur d'intensité des contraintes seuil de propagation en CSC, présentant une forte dépendance à l'histoire de chargement et à la variation de l'état de contrainte locale en pointe de fissure (variation des facteurs d'intensité des contraintes), est mise en évidence. Ceci montre alors que la plasticité doit évoluer pour que la dissolution se produise. Ainsi, le temps caractéristique d'arriver de nouvelles dislocations en pointe de fissure ne doit pas dépasser la durée caractéristique des réactions de passivation. Enfin sur la base des résultats expérimentaux, un modèle de loi de propagation phénoménologique de fissure en CSC est proposé et ses paramètres sont identifiés et validés à partir de différents essais de CSC. / Stress corrosion cracking (SCC) is a damage phenomenon which results from the synergy between corrosion process (dissolution, adsorption) and mechanical fracture (crack propagation). Although this phenomenon is well known, its modelling is still a challenging issue, especially concerning mechano-electrochemical coupling mechanisms at crack tip, because it depends on model system (metal/aggressive media) and large number of mechanical and electrochemical factors. In this thesis, mutual interactions between dissolution and the stress state around the crack tip (stress intensity factor) are studied in the case of Zircaloy-4 in aqueous halide solution. Samples are first pre-cracked in air by using fatigue load-shedding procedure to control the stress intensity factor. Then, pre-oxidization is used to produce a thin protective passive layer on their surface. The electro-chemical reactions are thus concentrated at the crack tip which also induces a concentration of the mechanical effect. During the test, digital images of the sample surface are acquired. Digital Image Correlation is performed a posteriori in order to obtain the evolution of the crack length and the stress intensity factors. Further, a specific procedure is developed in order to perform the DIC analysis while the test is running. This allows to control the load so that a given value of the stress intensity factor is prescribed. With this innovative experimental technique, we perform experimental tests that allow to discriminate the effects between different stress corrosion cracking mechanisms. It is suggested that once a critical anodic polarization is exceeded, the crack growth rate depends on the stress intensity factor but also on its time derivative. Indeed, a threshold effect is obtained on the stress intensity factor, meaning that plasticity must increase for the dissolution reaction to occur, but also on its rate meaning that time for plasticity to produce new dislocations must not exceed the characteristic duration of the passivation reaction. A phenomenological crack propagation model is proposed and its parameters are then identified and validated from the experimental measurements during SCC tests.

La motivation de cette thèse est la production innovante de germes ultra-minces de silicium cristallin. L’utilisation de tels germes dans un procédé de fabrication de cellules solaires permettrait une réduction importante de la consommation de silicium, qui compte déjà pour 60% du coût de production des panneaux solaires de première génération. Dans le cadre de cette thèse, une méthode pionnière de détachement de germes minces a été mise en oeuvre. Dans cette méthode, une contrainte induite mécaniquement est guidée par des défauts étendus induits par l’implantation d’hydrogène. Par cette méthode, le détachement de germes minces d’environ 710nm d’épaisseurs a été obtenu. Le but est ensuite d’utiliser ces germes pour faire croitre du silicium cristallin avec des épaisseurs variables à souhait, soit une technique kerf-free : sans pertes. Cette étude présente ainsi les étapes menant à la mise en oeuvre de ce procédé : en premier lieu, un état de l’art des méthodes de détachement de films ultra-minces existants est réalisé. Celui-ci nous a ainsi guidés vers l’implantation d’hydrogène en tant que méthode viable du guidage de la fracture. Par la suite, différents tentatives de détachement de germes ultra-minces ont été réalisés puis caractérisés, notamment par MEB, MET, AFM et DRX. Dans de bonnes conditions de collage et de croissance de défauts, le détachement de germes ultra-minces de silicium cristallin a été réalisé. Par la suite, la croissance et la cristallisation de couches de silicium amorphe a été réalisée sur les germes détachés. Pour finir, certaines couches détachées ont été utilisées pour la production de cellules solaires prototypes. / The goal of this thesis is to find an innovative way to produce ultra-thin crystalline silicon seeds. The use of such seeds in a solar cell production process could lead to a significant reduction of the silicon consumption, which cost alone is worth 60% of the total cost of a first generation solar panel. Within the context of this PhD thesis, a pioneer seed exfoliation method was implemented. This method use the defects induced by hydrogen implantation to guide a stress-induced spalling process. This method has allowed the exfoliation of 710nm-thick crystalline silicon seeds. These seeds will then be used for the growth of crystalline silicon layers of any desired thickness, hence a totally kerf-free method. This thesis work presents the steps leading to the implementation of this process: firstly, the state of the art of ultra-thin films exfoliation methods is reviewed, which guided us towards the use of hydrogen implantation as a crack guide. Then, different ultra-thin seeds exfoliation processes were tried and characterized, specifically by SEM, TEM, AFM and XRD. In the right conditions of bonding and defects growth, ultra-thin silicon seeds were successfully exfoliated. The growth and crystallization of amorphous silicon layers on these seeds were then studied. Finally, several exfoliated layers were used for the production of prototype solar cells.

Ces travaux s’intègrent dans le projet de recherche SUPERSWITCH dans lequel des solutions alternatives à l’IGBT, utilisées dans les convertisseurs de puissance dans la gamme des tenues en tension 600-1200 V, sont envisagées. Les nouvelles structures du transistor MOS basées sur le principe de Super-Jonction tel que le transistor DT-SJMOSFET et sa terminaison originale, la « Deep Trench Termination » se propose comme alternative aux IGBT. Dans ce contexte, cette thèse se focalise sur la caractérisation de la robustesse de la terminaison DT2 adapté à une diode plane. Après avoir effectué un état de l’art sur les composants de puissances à semi-conducteur unidirectionnels en tension, les terminaisons des composants de puissance et la fiabilité des modules de puissance, un véhicule de test a été conçu en vue de réaliser les différents essais de vieillissement accéléré et suivi électrique. La fiabilité de la terminaison DT2 a été évaluée par des essais expérimentaux et des simulations numériques, dont une méthodologie innovante a été proposée. Au final de nouvelles structures ont été proposées pour limiter les problèmes de délaminage et de charges aux interfaces mis en avant dans notre étude. / This work is a part of the research project SUPERSWITCH in which alternatives solutions to the IGBT, are investigated. This solution was used IGBT in power converters in the 600-1200 V breakdown voltage range. The new MOSFET structures based on the super-junction, such as the DT-SJMOSFET and its "Deep Trench Termination", is proposed as an alternative to IGBT. In this context, this thesis focuses on the robustness characterization of the DT2 termination adapted to a planar diode. After a state of the art on unidirectional voltage power components, the power components termination, and power modules reliability, a test vehicle has been designed in order to carry out different accelerated ageing tests and electrical monitoring. The reliability of DT2 termination was evaluated by experimental tests and numerical simulations. An innovative modeling methodology has been proposed. Finally, new structures have been proposed to limit the delamination failure mechanisms and interface charges problems highlighted in this thesis.

L’ATP est bien connue pour son rôle de transporteur d'énergie à l’intérieur des cellules, mais en dehors de la cellule, elle agit en tant que molécule de signalisation extracellulaire. En se liant aux récepteurs purinergiques, l’ATP extracellulaire amorce la signalisation purinergique afin de réguler certains processus physiologiques et pathophysiologiques. Dans les poumons, l’ATP stimule la sécrétion de surfactant et promeut la clairance mucociliaire. Compte tenu du rôle critique de l’ATP extracellulaire dans les poumons, il est important de comprendre le mécanisme du relargage d’ATP cellulaire — la première étape de la signalisation purinergique. Parce que les forces mécaniques constituent le déclencheur principal du relargage d’ATP, cette thèse a pour but d’investiguer le(s) mécanisme(s) physiologique(s) et les sources cellulaires d’un tel relargage d’ATP mécanosensible. Cet ouvrage est divisé en trois parties : 1) Pour étudier les caractéristiques spatiales et temporelles du relargage d’ATP, j’ai développé une technique d’imagerie hautement sensible basée sur la bioluminescence de la luciférine-luciférase couplée avec un système de lentilles à grand champ de vision (WFOV, wide field of view) optimisant l’apport de lumière. Pour évaluer notre approche d’imagerie, j’ai soumis des cellules A549, dérivées d’un adénocarcinome pulmonaire humain, à un étirement ou un choc hypotonique de 50% pour déclencher un relargage d’ATP. J’ai démontré que notre technique nous permet de quantifier précisément la quantité et le taux (ou l’efflux) d’ATP s’échappant des cellules. Le WFOV constitue un outil essentiel utilisé dans les études décrites dans cette thèse pour déterminer le mécanisme et la source cellulaire du relargage d’ATP dans l’alvéole. 2) Afin d’examiner le mécanisme physiologique du relargage d’ATP induit par l’étirement dans les cellulaires alvéolaires primaires, j’ai déterminé les contributions individuelles des cellules alvéolaires de type 1 (AT1) en comparaison des cellules alvéolaires de type 2 (AT2). Pour ce faire, des cellules AT2 fraîchement isolées de poumons de rats ont été ensemencées sur une chambre flexible en silicone et cultivées jusqu’à sept jours, ce qui permettait aux cellules AT2 de se transdifférencier progressivement en cellules semblables aux cellules AT1. Le ratio des cellules alvéolaires (AT2:AT1), étant de 4:1 au jour 3, est devenu 1:4 au jour 7. La quantité d'ATP libérée diminuait avec le nombre décroissant de cellules AT2, les impliquant en tant que principale source pour le relargage d’ATP en réponse à un étirement. Alors que les modulateurs pharmacologiques des canaux d’ATP, carbenoxolone et probénécide, ne diminuaient pas la quantité d’ATP libérée, le BAPTA, un chélateur de calcium intracellulaire ([Ca2+]i), l’a significativement réduite. De même, ces trois modulateurs exercent des effets similaires sur les réponses calciques intracellulaires mesurées par le Fura-2, suggérant une connexion entre le relargage d’ATP et les niveaux de [Ca2+]i. 3) Pour explorer le rôle qu’ont les propriétés viscoélastiques de la membrane dans le relargage d’ATP mécanosensible, j’ai démontré qu’une déformation de 30% induisait un relargage d’ATP transitoire qui était accompagné d’une absorption d’iodure de propidium (PI, propidium iodide) chez des cellules AT2. Ceci est cohérent avec une rupture membranaire transitoire induite par une déformation, assez large pour le passage d’ATP et de PI. L’efflux d’ATP augmente aussi selon le taux de déformation, et la durée de déformation prolonge la demi-vie du relargage d’ATP. Donc, ces résultats fournissent des indices sur la manière dont l’étirement de la membrane viscoélastique peut mener au relargage d’ATP par un mécanisme alternatif impliquant une mécanoporation de la membrane cellulaire. Dans l’ensemble, ces résultats démontrent que le relargage d’ATP ne se produit pas à travers les canaux conduisant l’ATP mais plutôt par une mécanoporation transitoire de la membrane. D’autres études sur les dommages membranaires sont nécessaires pour mieux comprendre sa contribution dans le relargage d’ATP mécanosensible et les signaux de [Ca2+]i. De telles études élucideront la signalisation purinergique dans les organes qui sont constamment exposés à des contraintes physiques. Ceci pourrait suggérer des cibles/approches thérapeutiques pour moduler les impacts négatifs d’un relargage d’ATP excessif observés lors de certaines conditions pathologiques, telles que les lésions pulmonaires induites par la ventilation mécanique. / ATP is widely known to be an energy carrier within cells, but outside of the cell, it acts as an extracellular signaling molecule. Upon binding to purinergic receptors, extracellular ATP initiates the purinergic signaling to regulate certain physiological and pathophysiological processes. In the lungs, ATP stimulates surfactant secretion and promotes mucociliary clearance. Given the critical role of extracellular ATP in the lungs, it is important to understand the mechanism of cellular ATP release — the first step of purinergic signaling. Because mechanical forces constitute the primary trigger of ATP release, this thesis aims to investigate the physiological mechanism(s) and cellular sources of such mechanosensitive ATP release. This work is divided into three parts: 1) To study the spatial and temporal characteristics of ATP release, I developed a highly sensitive imaging technique based on luciferin-luciferase bioluminescence coupled with a custom-designed lens system, which combined a wide field of view (WFOV) and high light-gathering power. To evaluate our imaging approach, I subjected A549 cells, derived from human lung adenocarcinoma, to stretch or 50% hypotonic shock to trigger ATP release. I demonstrated that our technique allows us to precisely quantify the amount and the rate (or efflux) of ATP escaping from cells. The WFOV constitutes an essential tool used in the studies described in this thesis to determine the mechanism and cellular source of ATP release in the alveolus. 2) To examine the physiological mechanism of stretch-induced ATP release in primary alveolar cells, I determined the individual contributions of alveolar type 1 (AT1) in comparison with alveolar type 2 (AT2) cells. To this end, freshly isolated AT2 cells from rat lungs were seeded on a flexible silicone chamber and were cultured for up to seven days, which allowed AT2 cells to progressively transdifferentiate into AT1-like cells. The ratio of alveolar cells (AT2:AT1), being 4:1 on day 3, became 1:4 on day 7. The quantity of released ATP decreased with the decreasing numbers of AT2 cells, implicating them as the main source of ATP release in response to stretch. While pharmacological ATP channel modulators, carbenoxolone and probenecid, did not diminish the amount of ATP release, BAPTA, an intracellular calcium ([Ca2+]i) chelator, significantly reduced it. Likewise, these three modulators had similar effects on intracellular calcium responses measured by Fura-2, suggesting a connection between ATP release and [Ca2+]i levels. 3) To explore the role of membrane viscoelastic properties in mechanosensitive ATP release, I demonstrated that a 30% strain induced transient ATP release that was accompanied by uptake of propidium iodide (PI) in AT2 cells. This is consistent with a strain-induced transient membrane rupture, big enough for the passage of ATP and PI. ATP efflux also increases with strain rate, and hold time prolongs the half-life of ATP release. Thus, these results provide clues on how stretching of the viscoelastic membrane may lead to ATP release via an alternate mechanism involving transient mechanoporation of the cell membrane. Overall, these findings demonstrate that stretch-induced ATP release does not occur through ATP-conducting channels but rather a transient membrane mechanoporation. Further studies on membrane injury induced by strain are needed to better understand its contribution to mechanosensitive ATP release and [Ca2+]i signaling. Such studies will elucidate purinergic signaling in organs that are constantly exposed to physical stresses. This could suggest novel therapeutic targets/approach to modulate the negative impacts of excessive ATP release observed under certain pathological conditions, such as ventilator-induced lung injury.