Une baisse constatée de la résistivité de l'isolation en PVC de certains câbles haute tension unipolaires conduit à s'interroger sur leur aptitude à assurer leur fonction. Cette étude avait pour objectif de fournir des éléments de réponse concernant en particulier l'origine de cette variation de résistivité et ses conséquences sur la tenue diélectrique. Les caractérisations ont porté sur des câbles usagés dont les propriétés avaient évolué au cours de leur utilisation. Les caractérisations physico-chimiques (spectroscopie et microscopie IR, spectroscopie UV, MEB-EDX et coulométrie) ont mis en évidence que le vieillissement du câble résultait d'un mécanisme de déshydrochloruration. La présence de deux modes de conduction dans le matériau a été observée : une conduction électronique à basse température (< -10°C) et une conduction ionique à température ambiante et au-delà. La présence de ces deux modes de conduction est compatible avec le mécanisme de déshydrochloruration. Au contraire d'une loi d'Arrhénius, les vieillissements artificiels ont mis en évidence un effet de seuil de température dans l'activation du mécanisme à l'origine de la chute de résistivité. La tenue diélectrique des câbles a été confortée par des essais à des tensions ou à des températures bien au-delà des valeurs nominales. Les mesures de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) ont mis en évidence des surchauffes ponctuelles plus ou moins prononcées qui se corrèlent aux chutes de résistivités constatées, et peuvent donc être considérées comme étant à l'origine des évolutions constatées. / The observed decrease in the resistivity of the PVC insulation of some high voltage unipolar cables led to question their ability to perform their function. Provide answers concerning in particular the origin of the variation in resistivity and the impact on the dielectric strength were the objectives of this study. The characterizations were carried on cables withdrawn from service whose properties had changed during their use. Physico-chemical characterization (IR microscopy, UV spectroscopy, SEM - EDX and coulometry) showed that aging of the cable resulted from a mechanism of dehydrochlorination. The presence of two modes of electric conduction in the material was observed: electronic conduction at a low temperature (< -10 ° C) and ionic conduction at room temperature and beyond. The presence of these two modes of conduction is consistent with the mechanism of dehydrochlorination. In contrast to an Arrhenius law, artificial aging showed a threshold effect in the thermal activation of the mechanism at the origin of the resistivity drop. The dielectric strength of the cable has been confirmed by tests at voltages or temperatures well beyond the nominal values. Measurements of differential scanning calorimetry (DSC) showed occasional more or less pronounced overheatings that correlate with the resistivity drops, and can therefore be considered as being at the origin of the observed evolutions.

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Les solutions solides (1-x)Na0,5Bi0,5TiO3 (NBT) – xCaTiO3 (CT) ont été étudiées par diffraction des rayons X, spectroscopie Raman, microscopie électronique à balayage, spectroscopie d’impédance et DSC. Ce sont des matériaux présentant la structure cristalline pérovskite. L’étude révèle la complexité mais aussi la richesse des phénomènes physiques dans cette famille de composés : les séquences des transitions de phases, l’influence du dopant Ca2+ sur les propriétés physico-chimiques du matériau, la relation étroite entre propriétés diélectriques et caractéristiques structurales. Des solutions solides (1-x)NBT – xCT, avec 0 ≤ x ≤ 1,00, ont été synthétisées par voie solide classique puis frittées selon une procédure spécifique dans un milieu confiné pour éviter toute perte de sodium et de bismuth. Les caractéristiques cristallines des solides obtenus imposent clairement de distinguer trois domaines suivant les valeurs de x. En effet, pour les valeurs croissantes de x et à la température ambiante, on observe un premier domaine (Région I, pour x ≤ 0,07) dans lequel le solide obtenu est une solution solide de structure cristalline, de groupe d’espace R3c, identique à celle de NBT pur. Pour les valeurs les plus élevées de x (Région II, pour x ≥ 0,15), le solide obtenu est une solution solide de structure cristalline, de groupe d’espace Pnma, identique à celle de CT pur. Enfin, entre ces deux domaines (Région III, 0,09 ≤ x ≤ 0,13), les solides obtenus sont biphasés, R3c + Pnma, en se limitant aux appellations des groupes d’espacé des phases formées. Dans la région I, lors du chauffage, la séquence des transitions de phases R3c → P4bm → Pm3m est mise en évidence; les températures des transitions se déplacent vers les plus basses températures quand la concentration en Ca2+ augmente. Les solides sont ferroélectriques à l’ambiante puis développent un caractère relaxeur, par coexistence de deux phases, avec l’augmentation de la température. Dans la région II, les solides révèlent un comportement relaxeur dès l’ambiante. Une transition de phase diffuse au sein de la phase orthorhombique Pnma est toutefois mise en évidence ; le solide passe d’un état relaxeur à un état paraélectrique tout en conservant, a priori, la même structure cristalline. Le phénomène de relaxation dans ces composés est expliqué par la formation de micros ou nanorégions polaires. La région III, quant à elle, est caractérisée par l’apparition d’une hystérésis thermique mise en évidence pour la première fois ; elle est expliquée par la relation entre la microstructure cristalline et les propriétés diélectriques. Enfin, l’ensemble de nos résultats a été regroupé dans un diagramme de phase original en composition et en température. / The solid solutions (1-x)Na0,5Bi0,5TiO3 (NBT) – xCaTiO3 (CT) were studied by X-ray diffraction, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, impedance spectroscopy and DSC. These materials have a perovskite crystalline structure. This study reveals not only the complexity but also the richness of physical phenomena in these compounds: phases transitions sequences, the Ca2+ effect on the physical-chemistry properties and the relation between dielectric properties and crystalline structure. Thereby, (1-x)NBT – xCT solid solutions (0 ≤ x ≤ 1.00) were synthesized by chemical solid route, then they were sintered by a particular procedure in order to avoid sodium and bismuth volatilization. The solid crystalline characteristics obtained prove clearly the necessity to distinguish three fields as a function of x values. First of all, for increasing x at room temperature, there is a first region so called region I (x ≤ 0.07), wherein the crystalline structure of solid solutions obtained has a space group R3c identical to that of pure NBT. For the highest values of x, (Region II, x ≥ 0.15), the solid obtained has a space group Pnma, identical to that of pure CT. Finally, between these two regions, (0.09 ≤ x ≤ 0.13), the solid solutions obtained are biphasic, R3c + Pnma, limited to appellations of the space groups formed phases. In region I, upon heating, phase transition sequence R3c → R3c + Pnma → Pnma was determined; the corresponding transition temperatures move to low values with increasing Ca2+ concentration. These solids are ferroelectric at room temperature and then develop a relaxor character, by coexistence of two phases, with increasing temperature. In region II, these solids reveal a relaxor behavior at room temperature. However, a diffuse phase transition within the orthorhombic phase Pnma has been identified; the solid changes from relaxor to paraelectric while maintaining the same crystal structure. This phenomenon was explained by the formation of micro or nano-polar regions. Region III, demonstrated for the first time, is characterized by thermal hysteresis, and explained by the relation between crystalline microstructure and dielectric properties. Finally, all our results were assembled in an original phase diagram as a function of concentration of Ca2+ dopant and temperature.

La microfabrication 3D par laser dans les matériaux à faible bande interdite néces- sitera l’utilisation d’impulsions intenses dans l’infrarouge proche et moyen. Cette étude expérimentale se concentre sur les spécificités de la physique d’ionisation nonlinéaire dans la gamme de longueur d’onde de 1300-2200nm. Contrairement aux semiconducteurs, l’ab- sorption nonlinéaire mesurée dans les diélectriques est indépendante de la longueur d’onde révélant ainsi l’importance accrue de l’ionisation par effet tunnel avec ces longueurs d’onde. Nous étudions également les rendements et les seuils d’ionisation multiphotonique et ava- lanche dans le silicium intrinsèque et dopé N. Les résultats couplés à l’observation des ma- tériaux irradiés montrent que les propriétés intrinsèques des semiconducteurs empêchent un dépôt d’énergie suffisamment confiné pour viser directement des applications de modifica- tion locale. Ce travail illustre les possibilités de micro-usinage laser 3D dans les diélectriques et les défis de l’extension de cette technique aux semiconducteurs. / 3D laser microfabrication inside narrow gap solids like silicon will require the use of long wavelength intense pulses. This experimental study concentrates on the specificity of the nonlinear ionization physics with tightly focused femtosecond laser beams over a wa- velength range of 1300-2200nm. The measured nonlinear absorption is independent of the wavelength in dielectrics revealing the increased importance of tunnel ionization with long wavelength. This can open up an alternative to pulse shortening toward ultraprecision op- tical breakdown in dielectrics. Using n-doped silicon, we study the multiphoton-avalanche absorption yields and thresholds inside semiconductors. Also observations of the irradia- ted materials reveal that the intrinsic properties of semiconductors prevent efficient direct energy deposition in the bulk for applications. This work illustrates opportunities for 3D laser micromachining in dielectrics and challenges for its extension to semiconductors.

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Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur deux sujets distincts. Le premier concerne la réponse d'un diélectrique cristallin à un champ électrique uniforme ; il s'ancre sur la théorie moderne de la polarisation développée par King-Smith, Vanderbilt et Resta. En nous restreignant d'abord au cas unidimensionnel, nous décrivons de manière perturbative à faible champ électrique le spectre de Wannier-Stark d'un modèle de bande. Nous utilisons ensuite ce développement dans une approche thermodynamique que nous modifions pour palier aux problèmes posés par le caractère non-borné du spectre de Wannier-Stark : nous introduisons en particulier un potentiel chimique local assurant la neutralité électrique locale au sein du cristal. Cette approche permet d'accéder à la polarisation et à la susceptibilité électrique des cristaux diélectriques. Finalement, nous étendons le travail effectué au cas bidimensionnel où de nouvelles caractéristiques associé aux isolants topologiques apparaissent.Le deuxième sujet porte sur la synchronisation de spin dans les gaz d'atomes froids. Nous étudions la compétition entre le mécanisme d'écho de spin et le phénomène d'auto-synchronisation lié à l'effet de rotation des spins identiques (emph{ISRE}). La méthode de l'écho de spin permet de compenser certains déphasage apparaissant dans une gaz d'atomes ultra-froid piégé, et accroît ainsi le temps de cohérence de l'ensemble. L'emph{ISRE} apparaît dans les gaz denses via les collisions entre atomes et conduit également à un accroissement du temps de cohérence. Nous montrons que ces deux mécanismes ne sont pas systématiquement compatibles. En particulier, leur compatibilité est lié à la relation entre les échelles de temps propres à chacun des phénomènes. / The work exposed in this manuscript covers two distinct topics. The first is about the response of crystalline dielectrics to an external static electric field; it is based on King-Smith, Vanderbilt and Resta modern theory of polarisation. Restricting ourselves to the 1D case, we first describe the Wannier-Stark ladder of a band model with a low-field perturbative approach. We then use this development to derive the thermodynamical response of the band model. We have to modify the usual thermodynamics to account for the unboundedness of the Wannier-Stark spectrum, through the introduction of a local chemical potentiel which ensures local electric neutrality in the crystal. In a last step, we extend our approch to the 2D cas, where new characteristics related to the topic of topological insulators appear.The second topic tackles synchronization and spin-echo in cold atom gases. We study the competition between the spin-echo mechanism and the self-synchronization mechanism which emerges from the identical spin rotation effet (emph{ISRE}). The spin-echo thechnique was built to compensate for some the of dephasing that appears in trapped ultra-cold gases, leading to an increased coherence time for the ensemble. The emph{ISRE} appears in dense atomic clouds where collisions also lead to an increased coherence time. We show that these two mechanism are not always compatible, in particular, their compatibility is based on the relation between the time scales associated to both phenomena.

De nos jours, la croissance du trafic d’informations entraine un développement technologique spectaculaire dans le domaine des télécommunications, qu'il s'agisse de réseau cellulaire, télévision, satellite, WIFI ou autres applications. Cette révolution a engendré d'énormes besoins et suscite une évolution technologique prodigieuse dans le domaine de la conception des antennes. Ces dernières se doivent de répondre aux différentes exigences, telles que la diminution de l’encombrement et des interférences électromagnétiques, la robustesse à l’environnement proche, l'augmentation du gain, l'élargissement de la bande passante, l’intelligence, etc. Les travaux menés dans cette thèse s’orientent surtout vers la conception de nouvelles topologies d’antennes simples, à faible encombrement, intelligentes, insensibles à l’environnement, large et ultra large bande… Notre intérêt s’est porté sur les antennes à résonateurs diélectriques (ARD). Dans le domaine de l’internet des objets, nous avons conçu et réalisé une antenne filtre, à base d’une jonction fente-résonateur diélectrique de forme rectangulaire en vue d’une intégration dans les dispositifs dédiés à ces applications. Pour des applications liées à la télémétrie, et plus précisément les compteurs intelligents, nous avons conçu et réalisé une antenne à base d’un résonateur diélectrique de forme cylindrique. Ces antennes intégrées dans des dispositifs où les sources de perturbations sont très présentes, ont montré une grande robustesse et une insensibilité à leur proche environnement. Par ailleurs, nous avons proposé deux nouvelles topologies d’antennes larges et ultra larges bandes. La première est un anneau cylindrique, constitué de quatre quartiers avec deux permittivités différentes. Un gap d’air a été introduit séparant le résonateur en deux. Cette structure innovante, confère à notre antenne une large bande et des caractéristiques de rayonnement stables. Cette antenne a servi comme élément de base pour proposer une antenne réseau agile en diagramme de rayonnement. La seconde, est dans la continuité de la première structure pour laquelle nous avons adopté une nouvelle technique d’alimentation ainsi qu’une diminution des dimensions du plan de masse. L’antenne obtenue propose alors des caractéristiques adaptées à des applications ultra large bande. / Nowadays, the constant increase of information traffic leads to a spectacular technological development in the field of telecommunications, whether it is cellular network, television, satellite, WIFI or other applications. This revolution is creating new needs and is inspiring a phenomenal technological evolution in the field of antenna design. Modern antennas in fact must meet increasingly harder requirements in terms of compactness, electromagnetic interference reduction, robustness to environment, increased gain, broadband bandwidth, intelligence, etc. The work carried out in this thesis mainly focuses on the design of new simple antenna topologies of small size, intelligent, insensitive to environment, broad and ultra-wide band. In particular, our interest focused on antennas based on Dielectric Resonators (DRs). In the field of the Internet of Things (IoT), we designed and realized a high-Q filter antenna based on a slot loaded rectangular dielectric resonator suitable for integration in compact IoT devices. We also designed and characterized an antenna based on a cylindrical shaped dielectric resonator (CDR). This antenna, which has been proposed to be integrated in smart meter devices, where interference sources are very present, has shown a great robustness to the surrounding environment. In addition, we proposed two new broadband and ultra-wideband antenna topologies. The first one is based on a cylindrical ring resonator, divided in four quarters characterized by two different permittivities. An air gap was inserted separating the resonator in two parts. This innovative structure gives our antenna a wide band behavior and stability in terms of radiation pattern. This structure has been used in an array configuration to achieve a reconfigurable radiation pattern. Starting from this work, the second antenna achieves an ultra-wideband behavior by adopting a new feeding technique as well as a reduced ground plane.

Le sujet de cette thèse concerne les applications hautes températures, où les moteurs doivent être capables de fonctionner à 400°C pendant 2 heures, selon la norme en vigueur. Il convient dans ce type d’applications de disposer de matériaux assez stables pour que leurs propriétés isolantes restent inchangées, ce qui est le cas du fil émaillé PolyImide (PI). Ce fil émaillé pose néanmoins des problèmes économiques et de fournisseurs, d’où la nécessité de trouver d’autres alternatives. Ce travail de thèse a eu pour but de mettre au point et valider des techniques d’analyses (ATG / ATM / ATR-FTIR / DRS) adaptées au fil émaillé, et ce jusqu’à 400°C. Le PEI présente des propriétés insuffisantes pour ce type d’application car il se dégrade avant 350°C et perd ses propriétés d’isolation électrique. Le PAI est un matériau qui ne se dégrade que peu avant 400°C, et présente des caractéristiques électriques (propriétés diélectriques et de conduction) déjà plus proche du PolyImide. Nous avons pu établir la comparaison de deux PAI dont l’un est conventionnel et l’autre est un nanocomposite à base d’alumine. Ce dernier PAI est plus stable en température mais ne semble pas avoir de propriétés électriques très supérieures. Pour confronter les résultats expérimentaux obtenus dans des conditions particulières aux conditions réelles d’utilisation, des moteurs avec ces fils émaillés ont été fabriqués. Les moteurs équipés des fils PEI/PAI (fil standard) et PAI sont défaillants après 40 minutes au lieu de 2h, contrairement aux moteurs équipés de fil PI. La dégradation du PEI et le fluage du PAI, caractérisé au-delà de sa Tg (280°C), peuvent être la cause des dysfonctionnements de ces moteurs / This work is related to the high temperature application where motors have to withstand severe conditions - 400°C during 2 hours - according to the standard. Electrical insulation becomes a serious challenge for such application where materials have to remain stable, which is the case of PolyImide enameled wire. Other alternatives have to be found because this is a very expensive material with a small number of suppliers. The thermal, structural, mechanical and electrical properties of these systems have been investigated in-situ until 400°C by thermogravimetric analysis, ATR-FTIR microscopy, thermomechanical analysis, dielectric spectroscopy and DC voltage experiments. Dielectric spectroscopy has indicated a loss of insulating properties during the thermal cycle especially for PEI-containing enamels that degrades before 350°C. PAI enameled wires degrade just before 400°C, and electrical properties (dielectric properties and conductivity) are closer to PI‘s in this temperature range. A comparison between a conventional PAI and a PAI filled with nanoparticules of aluminium oxide has been made. The nanocomposite is thermally more stable but does not show better electrical behavior. To correlate all these results to the real test conditions (combined thermal, electrical and mechanical stresses), electrical motors have been fabricated using the enameled wires said before. They all breakdown after 40 minutes running, except motors made with PI enameled wires. The degradation of PEI ad the creeping of PAI up to its Tg (280°C) can explain the breakdown of these motors

La caractérisation fine des matériaux inorganiques nécessite d'avoir accès à des informations complémentaires de celles apportées par des techniques d'analyse élémentaire ou de diffraction. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier permet de caractériser les liaisons covalentes et l'environnement des groupes fonctionnels dans les matériaux. C'est donc une technique de choix pour l'étude des matériaux hydratés, amorphes ou sujets à des phénomènes de vieillissement. En couplant cette technique à une platine de déplacement, il est possible de réaliser des cartographies des phases sur quelques centimètres carrés : c'est la microscopie infrarouge. Cette thèse développe plus particulièrement l'utilisation de la lumière réfléchie au travers de l'étude de la réflexion spéculaire et de la réflexion totale atténuée (ATR).Après une première partie se focalisant sur les méthodes d'acquisitions disponibles, une seconde partie s'attache à obtenir de manière non supervisée les cartographies chimiques associées aux concentrations relatives des différents composants présents dans la zone analysée. Des techniques de réduction de données et d'analyse factorielle sont mises en place afin d'estimer le nombre de composants chimiques et leurs spectres relatifs ; des problèmes de minimisation sous contraintes sont résolus pour extraire l'information chimique. La réflexion spéculaire ne nécessite aucun contact avec l‘échantillon et, de ce fait, n'entraine aucune altération de la surface analysée. C'est sur le papier une technique de choix pour suivre l'évolution d'un matériau. Cependant, elle souffre de la complexité d'interprétation liée à l'allure des spectres obtenus. Afin de développer la cartographie issue de la réflexion spéculaire, des modèles prenant en compte l'optique géométrique, l'optique ondulatoire, des corrections d'interférogrammes et des méthodes classiques d'homogénéisation ont été développés. Ce travail a permis d'aboutir à un modèle optique liant les spectres issus de la réflexion spéculaire avec les concentrations relatives des composants. Ce modèle tient compte de la polarisation, de l'angle d'incidence et utilise les constantes diélectriques du matériau. Ce modèle a été validé sur un matériau contenant trois composants distincts facilement identifiables en infrarouge et spécialement mis en forme pour cette étude. Ce modèle a ouvert la voie à l'utilisation innovante de lumières polarisées elliptiquement pour déterminer l'indice de réfraction complexe d'un matériau. Ainsi, des spectroscopes infrarouges couplés à un accessoire de contrôle de l'angle d'incidence peuvent être utilisés en complément de l'ellipsométrie / Complementary information, to that provided by elemental analysis and diffraction techniques, is needed to characterize inorganic materials. Fourier Transform Infrared spectroscopy enables to characterize covalent bonds and the environment of functional groups in materials. Thus, it is a technique of interest to study hydrated materials, amorphous materials or any materials, which may experience ageing phenomena. By combining this technique with a micrometric motorized stage, cartographies of chemical compounds can be obtained on several square millimeters: this is the infrared microscopy technique. This Ph.D. thesis focuses on the use of reflected light, in particular through the study of specular reflection and of Attenuated Total Reflectance (ATR). After a first part focused on the different acquisition set-ups, a second part covers the unsupervised methodologies of resolution employed to obtain chemical maps. They result in one map for each component present in the analyzed area. Dimensions reduction techniques and multivariate statistics techniques are implemented to estimate the number of components and their infrared spectra; minimization problems under constraints are solved to retrieve chemical information. When specular reflection is used to acquire spectra, no contact is made with the sample, thus no damage of the analyzed area occurs during the acquisition. A priori, it is a great technique to study the evolution of a material. However, this technique suffers from the complexity of interpretation of the resulting spectra. With the objective to democratize the use of specular reflection to obtain chemical maps, models based on geometrical optics and including diffraction, correction of interferograms and classical homogenization techniques have been developed. This work resulted in an optical model linking the angle of incidence, the polarization state and the dielectric optical constants of the material with the reflected light, which is measured. A model material, constituted of three distinct phases, detectable in the infrared range, has specially been fabricated to validate this optical model. This model set the stage for the use of elliptically polarized light in the determining of the complex refractive indices of materials in the infrared range. Thanks to this development, infrared spectroscopes, equipped with a classical set-up to control the angle of incidence, can now be used in addition to ellipsometry techniques

Quels sont les processus d'excitation électronique impliqués dans le claquage optique des solides diélectriques ? Cette question, débattue depuis la fin des années 60, a récemment connu un regain d'intérêt, dans le cas où le claquage est induit par des impulsions laser picoou femtosecondes. Dans cette gamme de durée, un modèle a récemment été proposé, selon lequel les électrons de conduction seraient essentiellement injectés par une très forte avalanche électronique, initiée par une faible densité de porteurs libres excités par absorption multiphotonique. Jusqu'à présent, les seules observations expérimentales en faveur de ce modèle sont des mesures de seuils de claquage en fonction de la durée de l'impulsion laser. Nous avons adopté une approche expérimentale plus directe de ce problème, fondée sur deux expériences pompe-sonde. Grâce à la technique d'interférométrie fréquentielle, nous avons mesuré la densité totale d'électrons de conduction excités par une impulsion laser ultra-brève, en fonction de la durée et de l'intensité de cette dernière, aussi bien en-dessous qu'au-dessus du seuil de claquage. Ces mesures démontrent de façon très directe que l'absorption multiphotonique par les électrons de valence est le processus dominant d'injection de porteurs : aucune avalanche électronique ne se produit avec des impulsions lasers de moins de quelques picosecondes. L'ionisation par impact des électrons de valence par les électrons de conduction est une étape cruciale dans les modèles d'avalanche. Nous avons donc réalisé une expérience de photoémission résolue en temps, afin d'évaluer l'efficacité de ce processus dans les diélectriques. Des électrons étaient injectés dans la bande de conduction, au-dessus du seuil d'ionisation par impact, grâce à une impulsion pompe UV (40 eV) femtoseconde. La relaxation de ces électrons était ensuite sondée au moyen d'une impulsion infrarouge intense. En mesurant la distribution en énergie des photoélectrons émis par le solide en fonction du délai pompe-sonde, nous avons montré que le processus d'ionisation par impact se produit sur une échelle de temps caractéristique de quelques dizaines de picosecondes pour des électrons de conduction de quelques dizaines d'eV dans SiO2 : cette faible efficacité pourrait expliquer pourquoi il ne peut pas se produire d'avalanche électronique avec des impulsions ultra-brèves, comme nous l'avons démontré par interférométrie fréquentielle.