Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Ätzprozessen von alkalischen und insbesondere HF/HNO3-basierten Ätzmedien an Silicium (Si). Es wurden Ätzprozesse an kristallinen (c-Si) und besonders an amorph/kristallinen (a-Si:H/c-Si) Silicium-Strukturen mit Hilfe von in situ Photolumineszenz(PL)-Messungen untersucht. Diese ermöglichen eine Verfolgung der Veränderung der Grenzflächendefektdichte an der c-Si-Grenzfläche während der Ätzprozesse. Es wurde erstmals beobachtet, dass der über Ladungsträgerinjektion von Löchern in das Si ablaufende Ätzprozess in HNO3-reichen, HF/HNO3-basierten Ätzmedien eine temporäre Feldeffektpassivierung an der geätzten Grenzfläche verursacht, welche zu einer Verzögerung des eigentlichen Auflöseprozesses des Si führt. Die Anwendung dieser Ätzmedien erfolgte im Rahmen der Strukturierung von a-Si:H-Schichten auf c-Si zur Realisierung von interdigitierenden Kontaktstrukturen rückseitenkontaktierter a-Si:H/c-Si-Heterosolarzellen. Für diese Ätzprozesse konnte mit Hilfe von in situ PL-Messungen erstmalig eine in situ Prozesskontrolle etabliert werden. Der Ätzprozess kann exakt bei Erreichen der a-Si:H/c-Si-Grenzfläche gestoppt werden, wodurch die ätzbedingte Defektbildung an der resultierenden c-Si-Oberfläche minimiert wird. Als weiterer Themenschwerpunkt wurde eine Photolithographie-freie Nanostrukturierung von a-Si:H/c-Si-Strukturen durch metallkatalysiertes Ätzen (MAE) vorgestellt, wobei MAE erstmals auf a-Si:H angewandt wurde. Anhand von in situ PL-Messungen konnte ebenfalls eine, wenn auch geringere, Feldeffektpassivierung an der geätzten Grenzfläche im Zuge der Injektion von Löchern in das Si durch die katalytisch aktiven Ag Nanopartikel (AgNP) beobachtet werden. Mit den so steuerbaren MAE-Prozessen können a-Si:H-Schichten exakt bis zur a-Si:H/c-Si-Grenzfläche punktuell geöffnet werden. Auf diese Weise wurden p-Typ a-Si:H/c-Si-Heterosolarzellen mit einem punktförmigen Absorberkontakt erfolgreich realisiert. / This dissertation is concerned with wet chemical etching processes of silicon (Si) by alkaline and especially HF/HNO3 based etchants. The etching processes are applied to crystalline (c-Si) and amorphous/crystalline (a-Si:H/c-Si) samples and analyzed by in situ photoluminescence (PL) measurements. These measurements enable a monitoring of changes in the defect density at the c-Si interface during the etching processes. By etching of Si in HNO3-rich HF/HNO3 based etchants, a temporary field effect passivation at the etched c-Si surface by hole injection was established. It was detected by in situ PL measurements for the first time. This effect causes a delay of the actual dissolution of the Si. These etching processes were applied to structure a-Si:H layers on c-Si in order to establish interdigitated contacts for back contacted a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells. A process control for that kind of etch back processes was developed for the first time by in situ PL measurements. This method enables an exact termination of the etching processes with the arrival of the etching front at the a-Si:H/c-Si interface. Thus, etching induced defects at the resulting c-Si surface can be reduced. Finally this thesis focuses on the development of a photolithography-free approach for nanostructuring of a-Si:H/c-Si samples using metal assisted etching (MAE). In this context, MAE was applied to a-Si:H for the first time. In situ PL measurements also showed a temporary field effect passivation during MAE due to hole injection by the catalytically active Ag nanoparticles (AgNP). Here, this effect was less distinct because of only punctual etching by the AgNP. These designed MAE processes are used to selectively etch a-Si:H layers exactly down to the a-Si:H/c-Si interface. This process opens new doors to a novel fabrication technique for point contacted heterojunction solar cells. P-type a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells with point contacted back surface field are presented.

Neste trabalho, foram depositadas sobre lâminas de silício camadas de zeólitos cristalinos, formados por cadeias de átomos de zinco e bases conjugadas do imidazol (ZIF: Zeolitic Imidazolate Framework), com o objetivo de avaliar os processos de adsorção e absorção do CO2 e aplicar essas camadas como pré-concentradores para a detecção de CO2. Para a deposição das camadas ZIF através dos processos Spinning e casting, foi proposta uma solução química alternativa que emprega etanol como solvente em vez de metanol como reportado na literatura, a fim de proporcionar um processo menos tóxico ao ser humano e viabilizar o armazenamento de CO2 para aplicações envolvendo não apenas a sua detecção mas também a sua remoção do ambiente. As camadas ZIF foram depositadas utilizando uma solução obtida a partir da mistura de nitrato de zinco (4,3g) e 2-metilimidazol (9,7g) em etanol com diversas diluições com a finalidade de variar o pH na faixa de 7,2 a 8,2. Como resultado, verificou-se que as camadas obtidas apresentaram estrutura cristalina ZIF-8 ou ZIF-90 apenas na situação de pH próximo de 7. Além disso, as camadas depositadas através da técnica Spinning apresentaram baixa aderência sobre lâminas de silício e não foi possível depositar camadas com espessuras na faixa de micrômetros. Por outro lado, camadas repetitivas com aproximadamente 7, 5µm de espessura foram depositadas nas lâminas de silício através do processo casting em solução de pH = 7,2 (50ml). Após o recozimento dessas camadas na temperatura de 150 ºC por 48h em ambiente de nitrogênio ultrapuro, obtiveram-se distribuições repetitivas de nanocristais com tamanhos na faixa de 5 a 400nm e estrutura cristalina tipo ZIF-90. Das medidas de espectroscopia IR nas camadas de ZIF-90, observou-se que a banda localizada em 2337cm-1 intensifica com o aumento da pressão do CO2 e com o tempo em que a pressão é mantida. Além da banda em 2337cm-1, foi observada uma segunda banda em 2360cm-1, indicando dois diferentes tipos de resposta: (i) a banda em 2337cm-1 foi associada a uma porção substancial de moléculas de CO2 absorvidas dentro da camada junto aos contornos dos nanocristais ou dentro da sua estrutura cristalina, e (ii) a banda em 2360cm-1 foi atribuída à porção de moléculas de CO2 adsorvidas na superfície. Além disso, se o tempo de exposição da camada de ZIF-90 ao CO2, na pressão atmosférica for de pelomenos 2h, atinge-se sensibilidade de 100ppm ao CO2, considerando a leitura mínima de absorbância como sendo igual a 0,02 para 0,5 l/min de CO2 fluindo sobre a amostra. / In this work, layers of crystalline zeolites formed by chains of zinc atoms and conjugate bases of the imidazole (ZIF: zeolitic Imidazolate Framework) were deposited to evaluate the desorption and absorption of CO2 and apply these layers as pre-concentrators for CO2 detection. For the deposition of ZIF layers by means of spinning or casting, it was proposed an alternative chemical solution which employs ethanol as solvent instead of methanol, as reported in the literature, to provide a less toxic process to humans and allow one the CO2 storage applications involving not just detection but also its removal from the environment. The ZIF layers were deposited using a solution prepared from a mixture of zinc nitrate (4.3g) and 2-methylimidazole (9.7g) with several dilutions in ethanol to vary the pH in the range of 7.2 to 8.2. As a result, the crystalline structure of the layers was ZIF-8 or ZIF-90 only for pH next to 7. Furthermore, the layers deposited by spinning showed low adhesion to the silicon wafers and it was not possible to deposit layers for thickness in the micrometer range. Moreover, repetitive layers of approximately 7.5µm in thickness were deposited on the silicon wafers by casting for pH = 7.2 (50ml). After annealing these layers at a temperature of 150 ºC for 48h in ultra-pure nitrogen, it was obtained repetitive nanocrystals with size distributions in the range of 5 to 400 nm having a ZIF-90 crystal structure. From infrared (IR) measurements of the ZIF-90 layers, it was observed a band located at 2337cm-1 that increases with the increase of the CO2 pressure and with the exposure time to this pressure. In addition to the band at 2337cm-1, it was observed a second band at 2360cm-1 indicating two different responses: (i) the band at 2337cm-1 is related to a substantial portion of the CO2 molecules absorbed into the layer along the contours of the nanocrystals or within the crystal structure and (ii) the band at 2360cm-1 is related to the portion of CO2 molecules adsorbed on the surface. Also, if the ZIF-90 layer is exposed to CO2 at atmospheric pressure for at least 2h, a 100ppm sensitivity to CO2 is achieved considering the minimum absorbance as being 0.02 when 0.5 l/min of CO2 is flowing on the sample.

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur la conception, simulation et réalisation des nouvelles structures des commutateurs hyperfréquences basées sur l’intégration des couches minces des matériaux innovants fonctionnels tels que les matériaux à changement de phase (PCM) et les matériaux à transition de phase (PTM). Le principe de fonctionnement de ces composants repose sur le changement de résistivité présenter par ces matériaux. Nous avons exploité le changement de résistivité réversible du GeTe de la famille des matériaux à changement de phase (PCM) entre les deux états : amorphe à forte résistivité et cristallin à faible résistivité, pour réaliser une nouvelle structure d’un simple commutateur SPST. Ensuite, nous avons intégré ce commutateur dans une nouvelle structure de la matrice de commutation DPDT (Double Port Double Throw) à base de PCM pour l’application dans la charge utile du satellite. Nous avons utilisé la transition isolant-métal présenté par le dioxyde de vanadium (VO2) de la famille des matériaux à transition de phase, pour réaliser une nouvelle structure de commutateur simple à deux terminaux sur une très large bande de fréquence (100 MHz–220 GHz). / The work presented in this manuscript focuses on the design, simulation and realization of new microwave switches structures based on the integration of thin layers of innovative functional materials such as phase change materials (PCM) and phase transition materials. (PTM). The operating principle of these components is based on the change of resistivity present by these materials. We exploited the reversible resistivity change of GeTe of phase change materials family between the two states: amorphous with high resistivity and crystalline with low resistivity to realize a new structure of SPST switch. Then, we have integrated this switch structure on a new structure of DPDT (Double Port Double Throw) switch matrix based on phase change materials for application in satellite payload. We have used the insulatingmetal transition presented by the vanadium dioxide (VO2) of phase transition materials family to realize a new two terminals simple switch structure on a very wide frequency band (100 MHz–220 GHz).

Dans le but de déchiffrer l’évolution tectono-métamorphique des massifs de Belledonne, des Grandes Rousses et du Pelvoux nous avons effectué une étude multidisciplinaire (Structures, pétrologies, géochronologies, géochimies, et isotopes radiogéniques). Les résultats obtenus permettent de reconnaitre six évènements tectono-métamorphiques responsables de la structuration de ce segment de la chaîne varisque. Le premier événement, Dx, correspond à un épisode de collision précoce et se produit vers ca.380 Ma. Il est responsable de l’obduction vers l’E du complexe ophiolitique de Chamrousse, ainsi que d’un métamorphisme de MP-BT. Vers 350 Ma, un évènement magmatique permet la formation de l’unité magmatique bi-modal de Rioupéroux-Livet. Entre 350 et 330 Ma, la mise en place de nappes vers l’E (D₁) se caractérisé par un métamorphisme barrovien. Cet événement est également responsable de la mise en place de nombreux granites liés à la fusion partielle de la croûte. L’évènement transpressif senestre D₂ se produit immédiatement après, vers 320-300 Ma. Il se caractérise par le plissement de la pile de nappes non migmatitiques, et par le développement d’une foliation verticale S₂. Dans la croûte partiellement fondue, il est marqué par une fabrique verticales (S₂), par des zones de cisaillements (C₂ et C’₂), qui s’organisent en structure de type S-C-C’. Synchrone à la déformation tardi-D₂ (305-300 Ma), l’événement D₃ est responsable de la formation d.une foliation plate (S₃) à la transition entre les migmatites et les roches non fondues. Les structures D₂ et D₃ sont interprétées comme étant relatives au fluage latéral de la croûte partiellement fondue. L’événement D₂ s’accompagne également de la mise en place de nombreux granites peralumineux, formés lors de la fusion partielle de la croûte. Enfin, l’intrusion d’un granite à cordiérite au Permien constitue le dernier évènement observé dans cette portion de la chaîne varisque. / In order to decipher the Variscan tectono-thermal evolution of the Belledonne-Pelvoux area we perform a multidisciplinary study (structural, petrology, geochronology, geochemistry and radiogenic isotopes). The results allow us to recognize six tectono-thermal events responsible for the building of the studied portion of the Variscan orogen. The first, Dx corresponds to an earlier collisional event at ca. 380 Ma that was responsible for the obduction of the Chamrousse ophiolitic unit toward the East and MP-BT metamorphism. At ca. 350 Ma, a magmatic event is responsible for the formation of the bi-modal magmatism of the Rioupéroux-Livet unit. Between ca.350-330 Ma an eastward nappe-staking event (D₁) responsible of a barrovian metamorphism occurred. It is coeval with the emplacement of numerous continental crust derived plutons. This event is followed at ca. 320-300 Ma by a D2 NW-SE directed shortening in a sinistral transpressive regime. This event is characterized by folding of the unmolten nappe pile and development of a subvertical S₂ foliation. In the partially molten crust, the D₂ event is characterized by the formation of steeply dipping S₂ and shear zones (C₂ and C’₂) organized as S-C-C’-like pattern. Coeval with the late-D₂ deformation (ca. 305-300Ma) a D₃ event responsible for the development of a flat laying S₃ foliation at the boundary between the molten and unmolten domains is documented. The late-D₂ and D₃ events are interpreted to be relative to the lateral flow of the partially-molten crust. The D₂ event is coeval with the emplacement of the manly Stephanian peraluminous granitoids, formed by melting of the continental crust. Finally, a Cordierite- bearing granite indicate the existence of a Permian magmatism.

La rentabilité des cellules à base de silicium est un point essentiel pour le marché photovoltaïque et cela passe notamment par l'amélioration du rendement électrique, la baisse des coûts de production ainsi que le renforcement de la fiabilité/durabilité des wafers. Des procédés innovants émergent, qui permettent d'obtenir des wafers ultra minces avec moins de perte de matière première. Cependant il est nécessaire de mettre en place des méthodes de caractérisation afin d’analyser la rigidité et la tenue mécanique de ces matériaux. Dans ce travail, des essais de flexion ont été effectués pour caractériser à la fois la rigidité et la rupture. Afin d’étudier la rupture fragile, une caméra rapide a été utilisée, des analyses fractographiques ont été menées. La diffraction d'électrons rétrodiffusés et la diffraction par rayon X de Laue ont été utilisées afin d'explorer le lien entre les orientations cristallographiques et les comportements observés. Conjointement, des simulations numériques EF ont été mise en place. Grâce à ce couplage expériences-simulations numériques, une caractérisation fiable de la rigidité des wafers a été effectuée. Une stratégie d'identification de l'origine de la rupture est également proposée. L'étude de la rupture du silicium monocristallin a mis en évidence la stabilité du clivage (110), la grande vitesse d'amorçage de la fissure, la dépendance de la forme du front de fissure à la vitesse de propagation ainsi que l'apparition de "Front Waves" pour les fissures à très grande vitesse. L'étude de la rupture des wafers multi-cristallins démontre une fissuration intra-granulaire. Des éprouvettes jumelles ont permis d’étudier la répétabilité du chemin de fissuration : une attention particulière a été portée à la nature des plans de clivage ainsi que l'effet des joints de grains. Enfin, une modélisation par la méthode des éléments finis étendus est proposée. Elle permet de reproduire le chemin de fissuration expérimentalement observé. / The profitability of silicon solar cells is a critical point for the PV market and it requires improved electrical performance, lower wafer production costs and enhancing reliability and durability of the cells. Innovative processes are emerging that provide thinner wafers with less raw material loss. But the induced crystallinity and distribution of defects compared to the classical wafers are unclear. It is therefore necessary to develop methods of microstructural and mechanical characterization to assess the rigidity and mechanical strength of these materials. In this work, 4-point bending tests were performed under quasi-static loading. This allowed to conduct both the stiffness estimation and the rupture study. A high speed camera was set up in order to track the fracture process thanks to a 45° tilted mirror. Fractographic analysis were performed using confocal optical microscope, scanning electron microscope and atomic force microscope. Electron Back-Scatter Diffraction and Laue X-Ray diffraction were used to explore the relationship between the microstructural grains orientations/textures of our material and the observed mechanical behavior. Jointly, finite element modeling and simulations were carried out to provide auxiliary characterization tools and help to understand the involved fracture mechanism. Thanks to the experiment-simulation coupled method, we have assessed accurately the rigidity of silicon wafers stemming from different manufacturing processes. A fracture origin identification strategy has been proposed combining high speed imaging and post-mortem fractography. Fracture investigations on silicon single crystals have highlighted the deflection free (110) cleavage path, the high initial crack velocity, the velocity dependent crack front shape and the onset of front waves in high velocity crack propagation. The investigations on the fracture of multi-crystalline wafers demonstrate a systematic transgranular cracking. Furthermore, thanks to twin multi-crystalline silicon plates, we have addressed the crack path reproducibility. A special attention has been paid to the nature of the cleavage planes and the grain boundaries barrier effect. Finally, based on these observations, an extended finite element model (XFEM) has been carried out which fairly reproduces the experimental crack path.

L’acier 316L(N) est le matériau de référence pour les structures du circuit primaire des réacteurs nucléaires de quatrième génération, en raison de leur résistance mécanique à la température de fonctionnement, de l’ordre de 550°C. La thèse a permis de développer un modèle polycristallin, capable de prédire le comportement de ces aciers, basé sur la description du glissement viscoplastique des dislocation à haute température, de mise en œuvre simple et avec l’identification d’un nombre de paramètres matériau limité. La démarche de modélisation a été progressive. Lors de la première étape, nous avons proposé et validé une loi d'homogénéisation élasto-viscoplastique à champs moyens, grâce à de nombreux calculs par éléments finis, en considérant des durcissements plastique et des viscosités cristallines. Ensuite, un modèle de viscoplasticité cristalline, reposant sur les lois d’évolution des densités de différents types de dislocations, a été implémenté et les prédictions ont été validés en considérant un très grand nombre de résultats expérimentaux à faible. Le modèle a ensuite été enrichi afin de prendre en compte les mécanismes physiques supplémentaires observés à température élevée, comme la montée des dislocations, le vieillissement dynamique et l’apparition d’une structure de dislocation très hétérogène. Le modèle proposé nécessite uniquement l’ajustement de trois paramètres par identification inverse, utilisant seulement des essais de traction monotone avec saut de vitesse. Les prédictions du comportement mécanique en chargement uniaxial et cyclique sont également en bon accord avec les mesures expérimentales aux températures élevées. / The 316L(N) stainless steels is the reference material for the primary circuit structures of fourth-generation nuclear reactors. This alloy present high mechanical resistance at the operation temperature range of these reactors, of the order of 550 °C. This PhD allowed to develop a polycrystalline model based on the description of the viscoplastic dislocation slip at high temperatures, with straightforward implementation and with identification of a limited number of material parameters. The modeling process was progressive. In a first step, we proposed and validated a mean-field elastic-viscoplastic homogenization law, in comparison to numerous finite element calculations, considering crystalline plastic hardening and crystalline viscosity. Then, a model of crystalline viscoplasticity, based on the evolution laws of the different dislocations densities was implemented and the predictions were validated considering a very large number of experimental results at low temperature. The model was then enhanced to take into account the additional physical mechanisms observed at high temperature, such as dislocation climb, dynamic strain aging and the appearance of a very heterogeneous dislocation structure. The proposed model requires the adjustment of only three parameters by inverse identification, using only monotonic tensile tests at different strain rates. The mechanical behavior predictions in uniaxial and cyclic loading are also in good agreement with experimental measurements at high temperature.

Le contrôle de la microstructure des matériaux organiques est crucial pour des applications pratiques telles que la photonique, la biomédecine ou encore le domaine très dynamique de l'électronique organique. Les études récentes ont montré une possibilité de contrôler la structure des polymères à l'échelle nanométrique en utilisant l'auto-assemblage supramoléculaire sous confinement spatial. Bien que de nombreuses études ont déjà été effectuées dans ce domaine, plusieurs questions essentielles restent ouvertes. En particulier, il est important de comprendre comment les différents processus de formation structurale tels que la cristallisation, la formation d`une phase cristal liquide et la séparation de phases se déroulent sous confinement. Dans le présent travail, nous abordons l'effet du confinement à 1D et à 2D sur la formation de la structure pour une variété de systèmes, y compris les copolymères segmentés de poly(éther-ester-amide) (PEEA), les polymères cristaux liquides (CL) dont la chaîne principale appartient à la famille des poly(di-n-alkylsiloxane)s et des copolymères à bloc cristaux-liquides /semicristallins formés par complexation de poly(2-vinylpyridine-b-oxyde d'éthylène) (P2VP-PEO) avec un ligand cunéiforme, l'acide 4'-(3'',4'',5''-tris(octyloxy) benzamido) propanoïque. Pour être capable de traiter de façon adéquate la morphologie complexe de ces systèmes sous confinement, le travail a été effectué en utilisant une batterie de méthodes expérimentales. Les techniques principales opérationnelles dans l'espace direct et réciproque que nous avons employées sont décrites dans le chapitre 2. [...] / Controlling the micro-structure of organic materials is crucial for a variety of practical applications such as photonics, biomedicine or the rapidly growing field of organic electronics. Recent studies have shown a possibility of tailoring the polymer structure on the nanoscale using supramolecular self-assembly under spatial confinement. Despite extensive studies already performed in this field, many questions remain open. In particular, it will be important to understand how different structure formation processes such as crystallization, LC-phase formation, microphase separation, and others occur under confinement. In the present work, we address the effect of 1D- and 2D-confinement on the structure formation for a variety of systems including segmented poly(ether-ester-amide) (PEEA) copolymers, main-chain liquid-crystalline (LC) polymers belonging to the family of poly(di-n-alkylsiloxane)s and liquid-crystalline/semicrystalline block copolymers formed through complexation of poly (2-vinylpyridine-b-ethylene oxide) (P2VP-PEO) with a wedge-shaped ligand, 4'-(3'',4'',5''-tris(octyloxy) benzamido) propanoic acid. In order to reveal the morphological diversity of the studied systems under confinement, the work was carried out on bulk materials and on thin films employing a battery of experimental methods. The main experimental techniques operational in direct and reciprocal space applied in my work are described in chapter 2. [...]

Les polymères semi-cristallins sont des matériaux très répandus dans notre vie quotidienne et sont utilisés dans une large gamme d'applications, généralement sous des sollicitations viscoélastiques. Par conséquent, nombreux sont les travaux de recherche qui ont été menés ces dernières années afin d’étudier leurs propriétés élastiques et leurs micro-mécanismes de plasticité ou d'endommagement apparaissant en leur sein à l'échelle locale . Cependant, l'observation in situ de l'amorçage de ces mécanismes demeure problématique et requiert l’emploi d’équipements complexes. Dès lors, nous proposons d’utiliser des techniques d'analyse non destructives fondées sur la détection et la propagation d'ondes ultrasonores (US) afin d’obtenir de nouvelles informations sur l'initiation de la plasticité et de l'endommagement de polymères semi-cristallins. Plus précisément, nous avons utilisé les techniques de contrôle par ondes US et émission acoustique (EA) afin de caractériser la plasticité et l'endommagement de plusieurs PE , d’un PP et d’un PVDF lors d'essais de traction uniaxiale. La technique de contrôle US a permis de montrer que l'atténuation US de différents types d'ondes est élevée et augmente lorsque le taux de cristallinité du matériau diminue. Pour les ondes guidées, nous avons montré l'influence de la géométrie des éprouvettes ainsi que celle de la fréquence des ondes sur l'atténuation. Lors d’un essai de traction, une importante modification des paramètres US est observée lors du passage dans le domaine plastique, traduisant l'évolution de l'état de la microstructure, en particulier celui du réseau cristallin. La formation de micro-cavités a un impact significatif sur l'atténuation des ondes. L'effet de l'orientation des chaînes macromoléculaires a également été mis en évidence. L'activité acoustique des matériaux étudiés est faible mais il a été possible de vérifier que la majorité des signaux d'EA détectés proviennent bien des micro-mécanismes de plasticité et d'endommagement. L'effet de la vitesse de déformation est significatif et nous avons montré que la localisation de certains signaux est possible lorsque cette vitesse de déformation est élevée. L'activité acoustique présente trois phases au cours des essais de traction, ce qui nous a permis de proposer en conséquence un modèle de répartition des sources d'EA sur les éprouvettes. L'activité acoustique démarre toujours avant le seuil de plasticité montrant ainsi que des micro-mécanismes de plasticité et d'endommagement s'initient aux faibles déformations. La détection de signaux d'EA avant le seuil de plasticité dépend aussi du taux de cristallinité. Le nombre de signaux d'EA détectés ainsi que leur énergie augmentent avec le taux de cristallinité du matériau. Un critère de plasticité a donc été proposé. / Semi-crystalline polymers are widely used materials in our everyday life and in a large range of applications, generally under visco-elastic solicitations. Consequently, many of the recent years researches study their elastic properties and their plasticity or damage micro-mechanisms occurring at a local scale (nano and micrometer). However, in situ observations of the initiation of these mechanisms (e.g. shear crystallites, cavitation or martensitic transformation) remain problematic and require the use of complex devices. Therefore, we propose to use non-destructive evaluation techniques based on the detection and the propagation of ultrasonic (US) waves in order to obtain new information about the initiation of plastic deformation and damage of semi-crystalline polymers. More specifically, we have used US and acoustic emission (AE) techniques to characterize the plasticity and damage of several PE, a PP and a PVDF during tensile tests. The US monitoring technique showed that the US attenuation of several waves is high and increases when the degree of crystallinity of the material decreases. For guided waves, we showed the effect of the specimens’ geometry and the waves frequency on the US attenuation. A significant change of US parameters is observed at the elastic-plastic transition, reflecting changes in the microstructure’s state, in particular in the crystal network. The formation of micro-cavities has a significant impact on the attenuation. The effect of the orientation of macromolecular chains has also been highlighted. The acoustic activity of studied materials is weak but the majority of detected AE signals have been shown to actually originate from plasticity and damage micro-mechanisms. The effect of the strain rate is significant and we have shown that the localization of few signals is possible when the strain rate is high. The acoustic activity presents three phases during tensile tests, which allowed us to propose a model based on the distribution of AE sources on the specimens. The acoustic activity always starts before the yield point showing that plasticity and damage micro-mechanisms are initiated at small strains. The detection of AE signals before the yield point also depends on the crystallinity of the material. The number of AE signals and their energy increase with the degree of crystallinity. A plastic criterion has been proposed. The correlation between the acoustic signals and the different mechanisms is complex, however it seems that the cavitation, the breakage of crystalline lamellae and the martensitic transformation are responsible for the release of acoustic energy.

Cette thèse de doctorat introduit un modèle et un algorithme six-dimensions pour la reconstruction des orientations cristallines locales dans les matériaux polycristallins. Le modèle s’applique actuellement aux données obtenues avec un rayonnement synchrotron (faisceau parallèle et monochromatique), mais il est également possible d’envisager des extensions aux instruments et sources de laboratoire (polychromatique et divergent). Le travail présenté est principalement une extension de la technique connue sous le nom de “Diffraction Contrast Tomography” (DCT) qui permet la reconstruction de la forme et de l’orientation cristalline des grains dans des matériaux polycristallins (avec certaines restrictions concernant la taille et le nombre total de grains ainsi que la mosaicité intragranulaire). / This Ph.D. thesis is about the development and formalization of a six-dimensional tomography method, for the reconstruction of local orientation in poly-crystalline materials. This method is based on a technique known as diffraction contract tomography (DCT), mainly used in synchrotrons, with a monochromatic and parallel high energy X-ray beam. DCT exists since over a decade now, but it was always employed to analyze undeformed or nearly undeformed materials, described by “grains” with a certain average orientation. Because an orientation can be parametrized by the used of only three num- bers, the local orientation in the grains is modelled by a six-dimensional space X6 = R3 ⊗ O3, that is the outer product between a three-dimensional real- space and another three-dimensional orientation-space. This means that for each point of the real-space, there could be a full three-dimensional orientation- space, which however in practice is restricted to a smaller region of interest called “local orientation-space”. The reconstruction problem is then formulated as a global minimisation prob- lem, where the reconstruction of a single grain is the solution that minimizes a functional. There can be different choices for the functionals to use, and they depend on the type of reconstructions one is looking for, and on the type of a priori knowledge is available. All the functionals used include a data fidelity term which ensures that the reconstruction is consistent with the measured diffraction data, and then an additional regularization term is added, like the l1-norm minimization of the solution vector, that tries to limit the number of orientations per real-space voxel, or a Total Variation operator over the sum of the orientation part of the six-dimensional voxels, in order to enforce the homogeneity of the grain volume. When first published, the results on synthetic data from the third chapter high- lighted some key features of the proposed framework, and showed that it was in principle possible to extend DCT to the reconstruction of moderately de- formed materials, but it was unclear whether it could work in practice. The following chapters instead confirm that the proposed framework is viable for reconstructing moderately deformed materials, and that in conjunction with other techniques, it could also overcome the limitations imposed by the grain indexing, and be applied to more challenging textured materials.

Les cellules photovoltaïques à base de silicium cristallin représentent plus de 90% du marché photovoltaïque mondial. Des architectures de cellules à haut rendement de conversion sont actuellement développées. Pour atteindre leurs performances maximales, ces architectures nécessitent néanmoins une amélioration des propriétés électriques des substrats de silicium cristallin. Les objectifs de cette thèse sont d’identifier les défauts limitant les propriétés électriques de ces substrats, de comprendre les mécanismes menant à leur formation et de proposer des moyens permettant leur neutralisation. Les matériaux étudiés sont des plaquettes de silicium Czochralski de type n, généralement utilisé pour les applications à haut rendement. Le four de tirage Czochralski a d’abord été modélisé afin de comprendre comment le passé thermique subi par le lingot de silicium lors de la cristallisation affecte la génération des défauts. Ces travaux ont été confirmés via des confrontations avec des données expérimentales, en utilisant une méthode originale développée dans le cadre de ce travail. Nous avons ensuite étudié l’influence du budget thermique lié aux procédés de fabrication des cellules sur la population de défauts. Nous avons ainsi pu montrer que la nature des défauts limitant les propriétés électriques du silicium était grandement modifiée selon le procédé de fabrication de cellules utilisé. Nous avons en outre mis en évidence une dégradation inattendue des propriétés électriques du silicium Czochralski de type n sous illumination, liée à la formation d’un défaut volumique inconnu. Les conditions de formation et de suppression de ce défaut ont été étudiées en profondeur. Enfin, les principaux défauts limitant les propriétés électriques du silicium ayant été identifiés et les mécanismes menant à leur formation compris, nous proposons dans un dernier chapitre des nouvelles techniques de caractérisation permettant de détecter les plaquettes défectueuses en début de ligne de production de cellules photovoltaïques, et ce à une cadence industrielle. / Photovoltaic solar cells based on crystalline silicon represent more than 90% of the worldwide photovoltaic market. High efficiency solar cell architectures are currently being developed. In order to allow their maximal performances to be reached, the electronic properties of their crystalline silicon substrate must however be enhanced. The goals of the present work are to identify the defects limiting the electronic properties of the substrate, to understand the mechanisms leading to their formation and to propose routes for their neutralization. The studied materials are n-type Czochralski silicon wafers, usually used as substrates for high efficiency photovoltaic applications. The Czochralski puller was first modeled in order to understand how the thermal history experienced by the silicon ingot during crystallization affects the defects generation. This study were validated through the comparison with experimental data using an original method developed in the frame of this work. We then studied the influence of the thermal budget associated to solar cell fabrication processes on the defects population. We thus showed that the nature of lifetime-limiting defects was completely changed depending on the solar cell fabrication process. Besides, we evidenced an unexpected degradation of the electronic properties of n-type Czochralski silicon under illumination, related to the formation of an unknown bulk defect. The formation and deactivation features of this defect were extensively studied. Finally, the main limiting defects being identified and the mechanisms resulting in their formation understood, we propose in a last chapter new characterization techniques for the detection of defective wafers at the beginning of production lines at an industrial throughput.