Les propriétés physiques d'un matériau sont intimement liées à sa structure cristalline et dans le cas d'ions dopants aux sites qu'ils occupent. La première partie de ce travail est dédiée au matériau diphosphate de sodium et de zinc Na2ZnP2O7, cristallisé out vitreux et ceci pour les ions dopants Co2+, Ni2+, Mn2+ et Eu3+. Les phases cristallisées ont été obtenues par la méthode Czochralski, les verres par trempe à partir de l'état fondu. Un ensemble de caractéristiques physiques ont été mises en jeu (Raman, infrarouge, RPE, absorption optique, luminescence) pour déterminer les sites occupés par les ions dopants et l'influence sur les propriétés optiques. La deuxième partie de cet travail consiste à une meilleure connaissance des matériaux diélectriques sans plomb appartenant à la famille pérovskite et plus particulièrement à la solution solide NaNbO3-BaTiO3. Des monocistaux ont été obtenus par la méthode des flux et caractérisés en utilisant plusieurs techniques : diffraction X, microanalyse, évolution thermique des domaines ferroélectriques-ferroélastiques, mesures diélectriques, piézoélectriques et pyroélectriques.

Les multiferroïques sont des matériaux dans lesquels plusieurs propriétés ferroïques peuvent coexister, e. g. ferromagnétisme et ferroélectricité. La recherche de tels matériaux fait l'objet d'une activité croissante en raison de l'enjeu majeur qu'ils représentent dans de nombreux domaines (mémoires, spintronique...). Les matériaux qui possèdent les propriétés nécessaires pour des applications futures sont cependant peu nombreux. Des niobates de formule Ba2LnFeNb4O15 (Ln = lanthanide), de structure bronze quadratique (TTB) susceptibles de présenter un ordre ferroélectrique et un ordre magnétique ont été synthétisés. Les propriétés magnétiques des céramiques proviennent d'une phase secondaire, faisant d'eux des composites multiferroïques. Leur souplesse cristallochimique permet de contrôler les propriétés composites par substitutions cationiques dans la matrice TTB. Afin de compléter l'étude cristallochimique, la croissance de monocristaux de TTB a été entreprise avec succès.

Ce travail est dédié aux phénomènes de préclaquage et de claquage dans les diélectriques liquides. Il est montré que dans un système d'électrodes pointe - plan, la génération des streamers est précédée par la formation d'une phase gazeuse (bulle) au voisinage de la pointe, résultant de l'injection d'une impulsion de courant dès que la tension appliquée atteint ou dépasse une certaine valeur seuil Us. Us augmente quasi-linéairement avec la pression. L'addition d'une certaine concentration de composés capteurs d'électrons augmente Us, preuve que les mécanismes électroniques sont également présents. L'analyse de la dynamique de la bulle montre que deux types de déformation de la surface de la bulle sont possibles: (i) une expansion ou une implosion et (ii) des mouvements alternatifs d'expansion et/ou implosion. Selon les modes de perturbation de l'interface, différents types de streamers peuvent prendre naissance. D'autre part, la tension de claquage d'un diélectrique liquide augmente en présence d'une concentration optimale donnée d'additifs capteurs d'électrons (Iodobenzène ou tétrachlorure de carbone). Par conséquent, en agissant sur la tension de génération des streamers, on peut améliorer la tenue diélectrique du liquide même si la vitesse des streamers est augmentée. En augmentant la pression, on peut aussi relever la tenue diélectrique d'un liquide. Une modélisation des streamers par des circuits électriques équivalents et leur résolution par le calcul de réseaux a permis de déterminer la structure des streamers ainsi que leurs paramètres caractéristiques : courants, charges, puissances et énergies injectés, champs électriques et différences de potentiel à leurs têtes, vitesse et mobilité des porteurs de charge dans le streamer, viscosité et température locales.

Cette thèse se place dans le cadre du projet Diamonix, qui vise à établir une filière diamant en France. La thèse porte sur des travaux de dimensionnement de protection périphérique, structure nécessaire au bon fonctionnement des composants d'électronique de puissance. Le développement de protections périphériques applicables aux diodes Schottky sur diamant monocristallin nécessite plusieurs étapes. Après un premier chapitre détaillant l'état de l'art de l'utilisation de diamant en électronique de puissance, nous nous attardons sur la conception de protection périphérique basée sur une plaque de champ à l'aide de divers diélectriques et ensuite à l'aide d'un matériau semi-résistif dans le chapitre 2. Ces simulations sont réalisées à l'aide du logiciel SENTAURUS TCAD. Le troisième chapitre essaie de répondre aux problèmes technologiques posés par le chapitre 2. Nous avons ainsi développé une nouvelle technique de gravure basée sur une succession d'étapes utilisant Ar/O2 puis CF4/O2. Puis, dans un deuxième temps, nous avons réalisé des capacités Métal/Diélectrique/Diamant afin de qualifier le comportement des diélectriques sur le matériau diamant. Leur comportement est problématique mais il s'agit à notre connaissance de la première étude poussée de capacités sur diamant. Le chapitre 4 revient sur la fabrication et la caractérisation de diodes Schottky protégées à l'aide de plaques de champ sur divers diélectriques, les résultats obtenus étant mitigés. Enfin, la conclusion revient sur les résultats importants de simulation, de gravure, de caractérisation des capacités et des diodes Schottky pour ensuite s'élargir et donner des perspectives de travail.

La connaissance et la compréhension des propriétés électrocinétiques des cellulesapportent de multiples applications en recherche biomédicale, comme le diagnostic et le suivi del'évolution d'un cancer. L'application de champs électriques alternatifs non-uniformes dans desmicrosystèmes, et plus particulièrement la force de diélectrophorèse, permet de caractériser despopulations de cellules sans marqueur spécifique.Nous avons tout d'abord mené une étude fondamentale pour décrire de la réponse des celluleshumaines dans telles conditions. La compétition entre les forces diélectrophorétique et électro-hydrodynamiques (effets électrothermiques, électro-osmose) a été modélisée. La confrontation dumodèle à l'observation expérimentale du mouvement de telles cellules dans des canaux micro-fluidiques comportant des électrodes micro structurées a été effectuée. À partir de cette étude,une nouvelle méthode de détermination de la fréquence de coupure de cellules humaines sur unnombre statistique de cellules représentant une population a été élaborée.Ensuite, nous avons étudié les fréquences de coupure entre des lignées issues de différents tissusépithéliaux (rein et prostate) ou de cellules circulantes. Il a été démontré que les fréquences decoupure sont statistiquement différentes entre les lignées. Les méthodes développées ont ainsipermis de mesurer les différentes signatures électriques de cellules cancéreuses de prostates àchaque stade d'évolution du cancer.Enfin, nous nous sommes intéressés à comprendre les mécanismes de polarisation des cellulessous champ électrique alternatif. Nous avons modifié la membrane des cellules chimiquement oubiologiquement pour comprendre l'origine moléculaire de la fréquence de coupure. Il a été mis enévidence que la concentration en protéines et l'activité de certains canaux ioniques augmententsignificativement la fréquence de coupure des cellules.En exploitant les effets de la diélectrophorèse sur les cellules, il devient possible de caractériserfinement leurs propriétés diélectriques, et de proposer à plus long terme de nouvelles technologiesde détection et de diagnostic / Measuring and understanding cells' electrokinetic properties bring several appli-cations in the biomedical field, like the diagnosis and the monitoring of cancer diseases. Theapplication of alternative non uniform electric fields in microsystems, in particular the dielec-trophoretic force, allows a label-free characterization of cell populations.In this Thesis, a comprehensive study has been established to describe the response of humancells in non-uniform AC fields. We have modeled the competition between dielectrophoresisand electro-hydrodynamical forces (electrothermal effects, AC electro-osmosis). This model wascompared to the observation of cell motions in microfluidic channels with structured electrodes.We have established a new method to determine the crossover frequencies of human cells on astatistically relevant number of cells, which represents a population.Then, the Clausius-Mossotti factor of cell lines has been measured, from different epithelial tis-sues (kidney, prostate) or circulating cells. We have demonstrated that the crossover frequenciesare statistically different between these lines. This method has been used to monitor the differentelectrical signatures of prostate cancer cells at each grade of cancer.Finally, we have focused on the polarization process of cells regarding the electric field. We havemodified chemically and biologically cell membranes to understand the molecular origin of thecrossover frequency. The membrane proteins depletion and the activity of some ion channelssignificantly increase the cell crossover frequency.By taking advantage of the dielectrophoretic response of cells, it becomes possible to characte-rize their dielectric properties and to develop new technologies for cancer detection and diagnosis

Les Pérovskites hybrides organique-inorganique (PHOIs) ont suscité d’intenses recherches au coursdes dernières années. Dans cette thèse, nous avons dans un premier temps mis au point les différentsprocessus de préparation des échantillons et réalisé une caractérisation complète des films parmicroscopie à force atomique, spectroscopie photo-électronique par rayons X, mesure du potentiel desurface par sonde de Kelvin et mesure de la mobilité des charges par temps de vol. La distribution despièges à l'interface PHOI/Au a été étudiée via des mesure J-V-L en fonction de la températurecombinées avec des simulations numériques. Les relaxations diélectriques dans les PHOIs, tels que lamigration des ions et l’orientation du dipôle du cation organique, ont été étudiés par spectroscopied’impédance en fonction de la température. Dans la dernière partie de cette thèse, nous présentons uneétude originale qui démontre un mouvement des protons du groupement ammonium des cationsorganiques à l’interface avec le PEDOT : PSS. / Hybrid-organic-inorganic perovskites (HOIPs) have provoked intense research over the recent years.In this thesis, we contribute to this investigation by first examining the results of different solutionpreparation processes, followed by characterizing the films using atomic force microscopy, X-raydiffraction, ultra-violet photoelectron spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, Kelvin probesurface potential measurement, and time-of-flight mobility measurement. The state distribution of theHOIP/Au interface was then studied by low temperature J–V–L measurement combined withnumerical simulation. In the process of these characterizations, it became clear that the dielectricrelaxations in HOIPs, such as ion migration and organic cation dipole orientation, play an importantrole in the material, and the next part of the thesis presents an analysis of these mechanisms with thehelp of temperature dependent impedance spectroscopy measurement. These studies built thefoundations for the final part of the thesis, where we investigated a so far elusive subject in HOIPs, themigration of protons

Ce travail est une analyse de la structure des panaches Électrohydrodynamiques plans également appelés jets Électrohydrodynamiques en géométrie plane. Il a pour objectif de proposer une description la plus précise possible de l'écoulement, d'apporter une meilleure compréhension des phénomènes physiques notamment à l'aide de modèles simples et de quantifier la force électrique. Le chapitre I est une étude bibliographique qui propose un résumé des principales connaissances sur la structure de deux écoulements très similaires aux jets EHD : les jets classiques et les panaches thermiques. Le chapitre II est consacré à la présentation du montage expérimental, ainsi qu'à la méthodologie expérimentale utilisée dans cette étude. La qualité des mesures obtenues grâce à la méthode de vélocimétrie par images de particule y est discutée ; les problèmes de non corrélation, de convergence statistique des résultats y sont par exemple abordés. L'analyse des champs de vitesse permet de mettre en évidence la structure des panaches et de proposer une classification des jets EHD. Le chapitre III est consacré à l'étude de la force électrique dans les panaches EHD. L'actionneur utilisé pour produire le jet plan est de type lame-plan. Trois méthodes indirectes ont été utilisées pour estimer la force à partir du champ de vitesse. La première méthode appelée méthode intégrale classique calcule la force par intégration volumique de l'équation de Navier-Stokes. La deuxième méthode appelée méthode RANS intégrale estime la force à partir de chacun des termes de l'équation RANS en utilisant une décomposition de la vitesse en valeur moyenne et fluctuation. Enfin, la force est également calculée selon une troisième méthode basée sur une modélisation simplifiée de l'écoulement inspirée des travaux de Malraison et Atten. Dans le dernier chapitre, l'étude est étendue à un écoulement électroconvectif de type jet de paroi électrique. Il est généré par un actionneur à barrière diélectrique. L'étude est faite avec deux types des liquides diélectriques différents. Comme pour le jet plan, l'analyse des champs de vitesse permet de définir les structures de l'écoulement mais également de calculer l'intensité de la force produite. / This work is related to the analysis of the structure of electrohydrodynamic plane plumes also called electrohydrodynamic jets in plane geometry. The aim of this work is to provide a more precise description and a better understanding of its physical phenomenon and to quantify the electric force using the simple models. Chapter I is a literature review which provides a summary of two flows with the structure very similar to EHD jets: classic jets and thermal plumes. Chapter II is devoted to the presentation of the experimental setup and method used in this study. The quality of the measurements obtained by the method of Particle Image Velocimetry is discussed; problems of non correlation and statistical convergence of the results are also discussed. The analysis of velocity fields allows us to identify the structure and propose a classification of the EHD plumes. Chapter III is devoted to the study of the electric force in the EHD plumes. The actuator used to produce the plane jet is a blade plane device. Three indirect methods were used to estimate the force from the velocity field. The first classical method called integral method calculates the force by volumetric integration of Navier-Stokes equations. The second method called RANS integral method estimates the force from each term of RANS equation using the average and fluctuating velocity components. Finally, the force is also calculated using a third approach with a simplified flow model based on the work of Malraison and Atten. In the last chapter, the study is extended to one type of électroconvectif flow: the electrical wall jet. It is generated by a dielectric barrier actuator. The study is carried out with two different dielectric liquids. As is the case with plane jet, the analysis of velocity fields is used to define the flow structures and calculate the force produced.

La recherche et développement de dispositifs médicaux avec diverses applications en diagnostiques et en thérapie ont été réalisés. Actuellement, tous les systèmes micro-ondes disponibles d'hyperthermie proposent uniquement des traitements avec une puissance élevée de micro-ondes. Dans cette thèse, un nouveau système d'hyperthermie micro-ondes est étudié pour le bénéfice des fonctions de diagnostic et de thérapie. L'utilisation d'un applicateur avec un niveau très faible et inoffensif de puissance micro-ondes permet de faire le premier diagnostic. Le traitement thérapeutique thermique sera effectué en utilisant le même applicateur avec une puissance micro-ondes élevée et adaptée sur la partie pathologique. Des caractérisations micro-ondes large bande de cinq tissus biologiques différents ont été effectuées à différentes températures avec une méthode de sonde coaxiale ouverte et le modèle de ligne virtuelle. Les expérimentations ex vivo d'hyperthermie micro-ondes avec des puissances de quelques watts à 2,45GHz ont été réalisées sur ces tissus d'épaisseurs variées. L'évolution de la température des tissus a été mesurée en utilisant un capteur infrarouge. Les simulations électromagnétiques et thermiques pour les expérimentations ex vivo d'hyperthermie micro-ondes ont été effectuées en utilisant COMSOL Multiphysics avec la méthode des éléments finis et la symétrie axiale 2D en considérant les tissus variés de différentes épaisseurs et puissances micro-onde incidente. Les simulations du modèle correspondent bien aux mesures. Cette recherche illustre la possibilité d'avoir un câble coaxial souple et adapté à la fois au diagnostic et au traitement pour une thérapie mini invasive. / Research and development of medical devices with various diagnostic and therapeutic applications have been carried out in different countries because of the great advances in electronic and electromagnetic devices during recent decades. However, at present, all of available existing microwave hyperthermia system can just offer treatment, by using high microwave power. In this thesis, a new microwave hyperemia system is researched which could have both diagnostic and therapeutic functions. One single applicator is used to measure dielectric properties of tissue with a very low harmless microwave power for diagnosis first. Then thermal therapeutic treatment will be carried out by using the same applicator with higher and adapted microwave power. Microwave broad band characterization of five different biological tissues at different temperatures with an open–ended coaxial probe method and the virtual line model has been carried out. Ex vivo microwave hyperthermia experiments using microwave power of a few Watts at 2.45GHz have been carried out on five tissues of various thicknesses. Temperature evolution of the biological tissues has been measured by using an infra-red senor. Electromagnetic and thermal simulations for ex vivo microwave hyperthermia experiment have also been achieved by using COMSOL Multiphysics software with 2D axisymmetrical finite–element method and considering different tissues of various thicknesses and incident microwave powers. Simulation results correlate well with the experimental ones. This research, illustrates the possibility to have a flexible and feasible coaxial cable for both diagnosis and treatment for a minimally invasive therapy.

Le développement des polymères conducteurs, surtout en termes de stabilité, a permis de les intégrer dans les dispositifs électroniques pour des applications à haute valeur ajoutée. C'est la raison pour laquelle les condensateurs tantale initialement basés sur la technologie MnO2, en tant que cathode, ont été améliorés avec le remplacement de cette dernière par un polymère organique conducteur. Ces nouveaux condensateurs tantale-polymère sont constitués d'une anode en tantale frittée, d'un film diélectrique en oxyde de tantale, et d'une cathode en polymère conducteur, typiquement le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT). Le fonctionnement des condensateurs a d'abord été optimisé uniquement pour de faibles capacités par polymérisation in situ. L'étape suivante consiste à atteindre de plus grandes capacités par imprégnation du polymère conducteur pré-synthétisé. Notre travail a été axé sur la caractérisation fine et la fabrication de prototypes de condensateur. Pour mener à bien cette étude, chaque partie du condensateur tantale-polymère a été caractérisée par différentes techniques physico-chimiques. Nous avons, entre autres, étudié la microstructure du réseau de tantale et les propriétés de la solution commerciale de polymère conducteur pour déterminer les paramètres d'imprégnation des condensateurs. Les caractérisations effectuées au laboratoire sont complétées par une évaluation des performances électriques des prototypes fabriqués dans l'entreprise. Tout ce travail a contribué à la mise sur le marché d'une nouvelle gamme de condensateurs tantale-polymère par l'entreprise Exxelia Tantalum. En parallèle, une étude a été consacrée à la synthèse d'un nouveau couple de polymère plus performant dans le but de remplacer le polymère commercial. / The development of conducting polymers, especially in terms of environmental stability, has allowed them to be used in electronic devices for high value applications. That's why tantalum capacitors initially based on MnO2 cathode technology have been improved by the replacement of it with a conducting polymer. Tantalum-polymer capacitors consist of a sintered tantalum anode, an anodic tantalum oxide film as a dielectric, and a conductive polymer cathode made of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). Until recently, those capacitors have been optimized only for low capacities by in situ polymerization. The next step is to reach higher capacities using an impregnated conductive polymer. Our work focused on the characterization and fabrication of capacitors. The main study focused on the characterization of each part of the tantalum-polymer capacitor via physico-chemical investigations. We studied the microstructure of the tantalum network and the properties of the commercial polymer solution to determine parameters for the dip-coating of tantalum anodes. This laboratory characterization is complemented by an assessment of the electrical performances of samples within the company. All this work has contributed to a new range of tantalum-polymer capacitors by Exxelia Tantalum Company. At the same time, a study has been performed in the synthesis of a new pair of polymers in order to replace the commercial polymer.

"Il ya beaucoup de place vers le bas!", ait déclaré Richard Feynman dans son discours sur les nanotechnologies en 1959, ouvrant un nouveau monde de la science et de la technologie! L'idée d'utiliser des nanoparticules afin d'améliorer les propriétés diélectriques des polymères qui étaient déjà en cours d'utilisation a suscité l'intérêt des chercheurs dans les deux dernières décennies. Nanocharges tels que la silice, l'alumine, l dioxyde de titan, etc, mais aussi des particules plus grosses comme les argiles ou les nanotubes de carbone ont été mélangés avec les polymères «classiques» afin d'améliorer les propriétés du polyéthylène, des résines époxy, de polypropylène, etc.De nos jours, le rendement de conversion d'énergie de générateurs électriques est limitée par des problèmes thermiques et électriques, limitations étant surtout liées à la qualité des rubans isolants appliqués sur les barres en cuivre. En conséquence, des rubans isolants innovants basés sur des de matériaux nanostructurés ont été envisagés pour augmenter le rendement énergétique des alternateurs et le but de ce travail est d'étudier ces matériaux innovants et de comparer leurs propriétés avec celles des matériaux déjà utilisés, afin d'aider à choisir le meilleur matériau composite pour les futurs rubans. Après une brève introduction sur le contexte de ce travail, on a présenté bref état de l'art les propriétés des polymères époxy, avec un débat sur les propriétés électriques de la matrice polymère choisie (résine époxyde), ses propriétés chimiques et thermiques. Ensuite, les nanocharges choisies et leurs propriétés spécifiques sont présentés, en discutant les différentes étapes du procédé de fabrication, aussi qu'un débat sur les phénomènes qui apparaissent à l'échelle nanométrique et leur éventuelle influence sur les propriétés du matériau composite fini.Différents groupes de matériaux composites à base d'époxy remplis de silice nanométrique, argile organique ou de nitrure de bore sont analysés dans ce travail. Afin de caractériser et interpréter leurs propriétés, plusieurs outils ont été utilisés: la microscopie imagerie, la caractérisation thermique ainsi que les méthodes d'investigation à fort ou faible champ électrique. Leur caractéristiques sont ressemblés et différents observations sur des propriétés «générales» ou «spécifiques» des matériaux composites ont été observés et discutés par rapport à l'influence du type de charge utilisée, de son traitement ou de son poids total sont débattues.Enfin, un modèle numérique basé sure une généralisation de la loi des mélanges sera utilisée afin de prédire la réponse diélectrique des matériaux composites ainsi que les paramètres (taille, permittivité) de l'interphase, «l'ingrédient« magique du mélange matrice de remplissage. Le modèle présenté nous a permis de donner un lien entre les différents matériaux et de valider les résultats obtenus expérimentalement. Une approche par éléments finis est utilisée.Ce manuscrit s'achève par des conclusions sur le travail présenté et il laisse entrevoir les perspectives dans l'analyse complexe des polymères nanocomposites . / “There's plenty of room of the bottom!” said Richard Feynman in his talk on top-down nanotechnology in 1959, bringing into the spot light a new world of science and technology ! The idea of using nanoparticles in order to improve the dielectric properties of the polymers that were already in use attracted the interest of researchers for the last two decades. Nanofillers such as silica, alumina, titania etc, but also larger particles such as clays or carbon nanotubes were mixed with the “classic” polymers in order to improve the properties of polyethylene, epoxy resins, polypropylene etc. Since nowadays the energy conversion efficiency of electrical generators is restricted by thermal and electrical issues, these limitations can be related to the electrical insulator tapes themselves. Thus, innovative insulating tapes based on nanostructured material scenarios to address the energy saving concern are intended and the purpose of this work is to investigate these innovative materials and to compare their properties with those of the materials already in use, in order to help choosing the best composite material for the future tapes.This works begins with a state of the art regarding the properties of epoxy polymers. Their chemical, thermal and dielectric properties are presented. Afterwards, the chosen fillers and their specific properties are presented. The influence of the chosen fillers as well as different steps of the nanocomposite materials manufacturing process are presented and the discussion ends with a debate on the phenomena appearing at the nanometric scale and their possible influence on the properties of the finite composite material .Different materials groups of epoxy based composites filled with nanometric silica, organoclay or boron nitride are analyzed afterwards. In order to characterize and interpret their properties, several tools were used: imaging microscopy, thermal characterization as well as high and low electric field investigation methods. A debate trying to distinguish between so called “general” or “specific” behavior of the composite materials with respect to the normal, unfilled polymer is also presented. The influence of the type of filler, its treatment or its weight total percentage will be are chosen as comparison criteria. Finally, a numerical model based on Finite Element Method approximation was used in order to predict the dielectric response of the composite materials as well as the specific parameters (size, permittivity) of the interphase, the magic “ingredient” of the matrix-filler mix. The presented model allowed us to give a connection between the different materials and validate the experimentally obtained results. This manuscript ends with conclusions on the presented work and suggests possible future works in the complex analysis of polymer nanocomposites.