Les diélectriques solides sont les éléments constitutifs de base des isolants utilisés dans les composants ou les systèmes du génie électrique et de l'électronique de puissance. Principalement à cause des tendances à la miniaturisation, ces isolants sont soumis à des contraintes sans cesse croissantes (électriques, mécaniques et thermiques) qui peuvent dégrader ou induire un vieillissement prématuré des diélectriques. Ceci peut conduire à la défaillance ou à un claquage de la structure, phénomènes qui l'on doit prendre en compte et étudier. De manière plus précise, la charge globale stockée à l'intérieur du matériau diélectrique, généralement dénommée charge d'espace, est directement liée à ces processus de dégradation. Ainsi, il devient alors nécessaire d'analyser le comportement de la charge d'espace lorsque le matériau est contraint dans des conditions proches d'un environnement réel d'utilisation. Parmi les techniques existantes, la (F)LIMM est une méthode thermique dédiée à l'analyse de la charge d'espace dans des fines couches diélectriques (avec une épaisseur comprise entre 5µm et 50µm), avec la possibilité de réaliser des cartographies en 3-D lorsque le faisceau laser est focalisé à la surface de l'échantillon étudié. Les premières caractérisations par cette technique étaient liées à la détermination de la distribution de la charge d'espace dans des films minces qui avaient été préalablement soumis à un champ électrique continu, puis analysés hors tension (volt-off). Cette procédure dite " off-line ", et mise en œuvre pendant la dépolarisation de l'échantillon, est restée longtemps la seule façon d'analyser la charge d'espace. De nouveaux développements sont devenus nécessaires plus récemment pour apporter des réponses au domaine industriel pour lequel une caractérisation du comportement dans des conditions d'utilisation réelles faisait défaut. Dans ce but, une version " sous tension " ou " on-line " du banc expérimental (F)LIMM conventionnel a été développée. Ainsi, la mesure du courant (F)LIMM se réalise maintenant de manière simultanée à l'application d'un champ électrique continu externe sur l'échantillon. Outre la mesure in-situ et l'analyse sous tension, ces nouveaux développements présentent un avantage supplémentaire consistant en la possibilité d'évaluer et de calibrer les profils de température. Dans ce travail, les modifications expérimentales réalisées sur le banc test de mesure sont tout d'abord détaillées et validées. Puis, la procédure de calibration du model thermique proposé est expliquée et testée. Ainsi, la simulation les courants (F)LIMM devient possible et l'on constate une bonne adéquation avec les courants expérimentaux enregistrés. Enfin, quelques applications à des films polymères minces en PEN et en PP sont décrites. Les résultats obtenus prouvent alors que ces évolutions expérimentales et théoriques sont efficaces pour l'étude du comportement de la charge d'espace " sous tension ". / Solid dielectrics are basic elements of most insulations used in devices or systems in electrical engineering or in power electronics. Mainly due to current trends in downsizing, these insulations being subjected to increasing stresses (electrical, mechanical or thermal) may degrade and age dielectrically. This may lead to failure and breakdown, which have to be addressed. More specifically, the global charge store inside the dielectric and generally called space charge is directly linked to these degradation processes. It is therefore necessary to analyze this space charge behavior when the material is at the same time stressed under conditions close to those of the real environment of use. Among many existing techniques, the (F)LIMM is a thermal wave method dedicated to the space charge analysis of thin dielectric films (with a thickness from 5µm to 50µm), with a possibility of 3-D cartographies when the beam is focused onto the sample under study. Its first characterizations were related to the determination of the space charge distribution in thin films that were first submitted to an external DC field and next analyzed in a volt-off way (no voltage applied). This off-line procedure remained the only way of space charge investigations for quite a while. New developments became necessary in order to provide answers to the industry for which a characterization close to the actual conditions of use was lacking. For this purpose, an on-line version of the conventional (F)LIMM set-up was developed. It allows a measurement of the (F)LIMM current when simultaneously a DC bias field is applied to the sample. This development presents, apart from allowing an in-situ and on-line analysis, another important advantage, namely the possibility for assessing or calibrating the temperature profile. In this work, the experimental modifications made to the measuring test rig are first detailed and validated. Then, the calibration procedure of the thermal model developed is explained and tested. As a consequence, the possibility of simulating the (F)LIMM currents is possible and shows a very good agreement with the experimental registered ones. Finally, some applications to PEN and PP polymer thin films are described and results got prove the efficiency of these new developments for space charge on-line investigation.

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. / Multiferroics are materials which possess several ferroic properties, e.g. ferroelectricity, ferromagnetism. The search for multiferroics arises a growing activity, due to their potential applications in memories, spintronic… Yet the materials displaying the adequate properties for future application are very few. Niobates with the formula Ba2LnFeNb4O15, potentially ferroelectric and ferromagnetic, have been synthesized. The magnetic properties of the ceramics are related to a secondary phase, thus making them composite multiferroics. Their crystal-chemical flexibility allows for the composites properties tuning by cationic substitutions into the TTB framework. To complete the crystal-chemical study, the growth of TTB single-crystals was successfully engaged.

Les matériaux ferroélectriques présentant une permittivité diélectrique élevée et de faibles pertes diélectriques présentent un grand intérêt pour la réalisation de condensateurs et le stockage de l'énergie électrique. Les propriétés structurales et diélectriques influencent les paramètres ferroélectriques tels que la polarisation maximale du matériau Pm et la polarisation rémanente Pr sous l'effet d'un champ électrique appliqué Em. Ce mémoire propose d'étudier les propriétés structurales, diélectriques et ferroélectriques des céramiques dérivées de BaTiO₃ (BT) et SrTiO₃ (ST) ainsi que des films épais PVDF pur et composites tels que PVDF/BT et PVDF/BZT. Les céramiques ont été synthétisées par la méthode de la réaction solide et le procédé sol-gel. La substitution dans les sites-A ou les sites-B du matériau BaTiO₃ avec des cations tels que Ca ²⁺, Sr²⁺ and Zr⁴⁺ réduit la densité d'énergie électrique stockée Wd et augmente l'efficacité de stockage énergétique η. La céramique BaZr₀.₅Ti₀.₅O₃ (BZT0.5) présente l'efficacité de stockage énergétique la plus élevée (η=75%). La substitution dans les sites-A du matériau SrTiO₃ avec 40% de cations Ca²⁺ diminue la permittivité diélectrique (ε'∽200), mais cette permittivité est cependant plus stable sur une large gamme de fréquence [100 Hz-1 GHz]. La céramique Sr₀.₆Ca₀.₄TiO₃ préparée par voie sol-gel présente la densité d'énergie électrique stockée la plus élevée (Wd=0.149 J/cm³) sous l'action d'un champ électrique maximal élevé (Em=105 kV/cm). Les films épais à base de polymère PVDF ont été synthétisés par Spin-Coating. La permittivité diélectrique des films épais PVDF pur augmente avec l'apaisseur du film. L'incorporation de particules BT et BZT0.15 dans la matrice polymère PVDF augmente la permittivité diélectrique des films composites PVDF/BT (ε'=32 pour 30% de particules BT) et PVDF/BZT0.15 (ε'=32 pour15% de particules BZT). / Ferroelectric materials with a high dielectric permittivity and low dielectric losses are very attractive for the realization of capacitors and for electrical energy storage. To improve the electrical energy density Wd, the structural and dielectric properties influence the ferroelectric parameters such as the maximum polarization Pm and the remanent polarization Pr under an applied electric field Em. This manuscript proposes to study the structural, dielectric and ferroelectric properties of ceramics derived from BaTiO₃ (BT) and SrTiO₃ (ST) as well as pure PVDF thick films and composites such as PVDF/BT and PVDF/BZT. The ceramics were synthesized by the solid state reaction reaction route and the sol-gel process. The subsitution in the A-sites or B-sites of the BaTiO₃ material with cations such Ca²⁺, Sr²⁺ and Zr⁴⁺ reduces the electrical energy density Wd and increases the energy storage efficiency η. The ceramic BaZr₀.₅Ti₀.₅O₃ (BZT0.5) has the highest energy storage efficiency (η=75%). The substitution in the A-sites of SrTiO₃ material with 40% of Ca²⁺ cations reduces the dielectric permittivity (ε'∽200), but is more stable over a wide frequency range [100 Hz -1 GHZ]. The Sr₀.₆Ca₀.₄TiO₃ ceramic prepared by sol-gel process has the highest electrical energy density (Wd = 0.149 J/cm³) under an electrical field Em = 105 kV/cm. The PVDF thick films were synthesized by Spin-Coating. The dielectric permittivity of pure PVDF thick films increases when increasing the thickness. The addition of BT and BTZ0.15 particles in the PVDF polymer matrix increases the dielectric permittivity of the composite PVDF/BT thick films (ε'=32 for 30% of BT particles) and PVDF/BZT0.15 ones (ε'=32 for 15% of BZT particles).

L'expérience montre que tout liquide isolant soumis à une tension croissante est traversé par un courant qui croît fortement avec la tension jusqu'au claquage. Pour un liquide isolant, le claquage est un phénomène destructif qui dégrade de façon irrémédiable sa tenue diélectrique, c'est-à-dire que celui-ci ne pourra plus tenir le même niveau de tension. Ce phénomène est la cause de la plupart des défaillances du matériel électrique.<br />Le but de cette étude est de comprendre la formation d'une bulle suite à une micro-décharge électrique dans un vaste domaine de pression (pression inférieure et largement supérieure à la pression critique du fluide) et pour différentes températures (T/Cette étude permet de conclure que la bulle atteint, pour R=Rm, un équilibre thermodynamique local défini par la courbe de pression de vapeur saturante lorsque P/Pc. Cette analyse conduit à proposer un modèle thermodynamique semi-empirique permettant de calculer le rayon maximum de la bulle quelle que soit la pression P/ appliquée sur le liquide, à partir de la connaissance uniquement de l'énergie injectée et des propriétés thermodynamique du liquide.<br />L'analyse de l'énergie potentielle de la bulle au cours ses deux premiers cycles montre que, le phénomène le plus probable qui devrait être pris en compte dans le calcul correct de l'énergie perdue entre les deux premières cycles de la bulle, est le flux de matière échangée à l'interface qui devrait conduire à une perte de masse et donc à une variation de la masse volumique du milieu fluide à l'intérieur de la bulle en fonction du temps.

Ce travail de thèse porte sur l'étude et le développement de composants à cavité verticale dans le contexte des réseaux courtes et moyennes distances multiplexés en longueur d'onde autour de 1,55 μm. Pour fabriquer de telles structures, nous avons tout d'abord développé des miroirs de Bragg diélectriques constitués de silicium amorphe et de nitrure de silicium. La différence d'indice (1,9) élevée entre ces matériaux a permis d'atteindre les hautes réflectivités (R = 99,5%) nécessaires au bon fonctionnement des VCSELs. A la suite du développement de ces miroirs, nous avons réalisé un VCSEL, reporté sur substrat silicium par collage métallique AuIn2, comprenant deux miroirs diélectriques et une zone active à base de puits quantiques InGaAs/InGaAsP. Les caractérisations et les études par simulation du VCSEL ont engendré plusieurs optimisations, et ont permis d'obtenir une émission laser continue sous pompage optique jusqu'à une température de 35°C. Ces résultats encourageants ont validé notre processus de fabrication ainsi que la fiabilité et la bonne qualité des miroirs de Bragg diélectriques. Pour s'affranchir du caractère instable de la polarisation de ces VCSELs nous avons proposé l'utilisation de nanostructures quantiques InAs/InP anisotropes se présentant sous forme de fils. L'étude de ces structures et leur mise en cavité ont démontré leur intérêt pour introduire une anisotropie du gain permettant d'assurer une polarisation stable. Nous avons développé un VCSEL accordable suivant une nouvelle approche. Le principe repose sur l'insertion d'une couche de phase électro-optique à base de nano-PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) dans la cavité du VCSEL. Le nano-PDLC, permet d'obtenir une variation isotrope de l'indice de réfraction sous l'action d'une tension. La réalisation d'un prototype pompé optiquement a permis une première démonstration de faisabilité d'un VCSEL accordable par voie électro-optique. Une accordabilité de 10-nm autour de 1.55-μm a été mesurée pour une tension de 170V, et le temps moyen de commutation sur la gamme spectrale est de 30 μs.

Afin d'améliorer les performances électriques des circuits intégrés (densité d'intégration, vitesse et fiabilité), des matériaux à permittivité élevée sont introduits dans les composants passifs, notamment les capacités " Métal-Isolant-Métal " (MIM). De nombreux diélectriques, allant d'une permittivité moyenne (SixNy, Ta2O5, HfO2, ZrO2) à très élevée (les pérovskites SrTiO3 et BaTiO3) en passant par les alliages de plusieurs éléments (HfTiO, TiTaO ou Pb(ZrxTi1-x)O3) sont largement étudiés comme candidats prometteurs. Ces composants et ces matériaux ont pour vocation de fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées, jusqu'à plusieurs gigahertz. La permittivité complexe Er (permittivité réelle E'r et pertes E''r) des diélectriques peut varier avec la fréquence : des phénomènes de relaxation et de résonance peuvent apparaître. La caractérisation de ces matériaux et l'évaluation des performances des composants intégrant ces diélectriques deviennent nécessaires sur une très large bande de fréquence. Ce travail de thèse a pour objectifs d'obtenir les caractéristiques électriques des diélectriques sur une très large bande de fréquences, du continu à plusieurs dizaines de gigahertz, en configuration in-situ, c'est-à-dire en films minces et avec les mêmes procédés d'intégration que dans le composant MIM final. Pour cela, un outil générique, allant du développement de la technologie nécessaire à la réalisation des structures de test et aux procédures d'extraction des propriétés à hautes fréquences, a été développé, validé grâce au SixNy puis appliqué à différents diélectriques : AlN [1], TiTaO [2], HfO2 et ZrO2 [3,4]. [1] T. Bertaud et al., Microelectron. Eng. 88, 564 (2011). [2] T. Bertaud et al., J. Appl. Phys. 110, 044110 (2011). [3] T. Bertaud et al., IEEE Electr. Device L. 31 (2), 114 (2010). [4] T. Bertaud et al., IEEE T. Compon. Pack. 2 (3), 502 (2012).

Le travail visait à l'élaboration d'un nouveau composite à base de bois présentant entre autres une bonne stabilité dimensionnelle et une dureté satisfaisante. Afin de faciliter l'obtention d'un tel matériau, nous avons fat subir au bois un traitement thermique appelé rétification. Nous avons donc testé en parallèle deux types de traitements en utilisant soit un agent liant (anhydrides) soit des monomères multifonctionnels contenant à la fois les fonctions capables de réagir avec les groupements hydroxyle du bois et une double liaison susceptible de polymériser. L'efficacité de ces traitements ainsi que de leur couplage a été suivie à l'aide de l'ASE et de la dureté Brinell. Nous avons déterminé les propriétés superficielles des bois naturels et rétifiés à différentes températures. Afin d'expliquer une diminution de toutes ses valeurs, la théorie de la désactivation thermique a été avancée. La dernière partie de ce travail est consacrée à l'étude de la polymérisation dans la masse du bois imprégné par les micro-ondes. Malgré quelques points restant à résoudre, l'avenir industriel de cette technique de polymérisation dans la masse est très prometteur.

Le travail de ma thèse s'inscrit dans le contexte général de l'amélioration des procédés de traitement thermique des pièces massives en composites à matrice thermodurcissable. Parmi les techniques utilisées, le chauffage par micro-onde est sûrement l'une des plus séduisantes. Cependant le traitement homogène de pièces de dimensions importantes n'est pas sans poser des problèmes. Ces problèmes sont liés à l'existence possible d'ondes stationnaires, et à l'atténuation des ondes électromagnétique. Ce travail a pour but l'amélioration de la technique par la mise au point d'une optimisation des moules permettant d'atteindre cette meilleure homogénéité grâce à l'effet diélectrique d'inversion de l'atténuation des ondes électromagnétiques. Le sujet traité nécessite une approche multidisciplinaire puisque traitant de la création de sources thermiques dont il faut maîtriser la distribution spatiale et temporelle, sources créées par un champ électromagnétique et régissant la cinétique des réactions chimiques. La solution proposée nécessite donc de maîtriser les trois domaines thermique, électromagnétique et chimique qui interviennent ici d'une façon fortement couplée.

La connaissance et la maîtrise de nombreux régimes transitoires qui apparaissent et se propagent sur les réseaux et dans les matériels qui y sont connectés (transformateurs, parafoudres, ...) est un problème d'actualité. Un transformateur de puissance relié à un réseau moyenne tension ou très haute tension est soumis à différents types de surtension dont la connaissance permet d'évaluer les contraintes auxquelles sont soumises les isolations internes. D'une part, nous avons élaboré un nouveau modèle de transformateur cuirassé valable sur une très large gamme de fréquences, issu du principe de la dualité magnétique électrique afin de connaître son comportement interne (fréquences de résonance, coefficients de surtension). Ce modèle est destiné à être introduit dans des codes de calcul de réseaux, par exemple EMTP. Le modèle prend en compte les pertes dans le cuivre et dans le noyau magnétique. Des méthodes ont été également développées pour un calcul fiable des paramètres du modèle. D'autre part, une méthode d'analyse modale permettant d'illustrer le comportement oscillatoire d'un transformateur a été développée. Cette méthode conduit à un schéma équivalent qui sert à étudier les interactions du transformateur avec le réseau. Dans ces précédents modèles, les résultats calculés de simulation sont en bon accord avec ceux obtenus par la mesure, tant sur modèle réduit que sur transformateur THT réel. Par ailleurs, un algorithme de calcul de réseaux électriques fondé sur I'inversion de la transformée de Laplace a été développé. II permet l'inversion de la transformée de Laplace de plusieurs fonctions à la fois, en y adaptant la méthode nodale. Les résultats de calcul sont en très bon accord avec ceux des mesures et permettent d'espérer une meilleure simulation du système ligne-transformateur.

Ce travail de thèse porte sur la mise en forme spatiale de faisceau laser à impulsions ultra-brèves pour l'optimisation des interactions laser-matière.<br />La première partie de ce mémoire expose la conception et la réalisation d'un système d'optique adaptative permettant la mise en forme spatiale de faisceau au point focal d'une lentille. Ce dispositif original est basé sur un modulateur de front d'onde à cristaux liquides, utilisé comme lame de phase programmable de haute résolution. Une correction fine des aberrations du faisceau est démontrée, de manière à obtenir une surface d'onde quasi-plane en temps réel, et donc un point focal limité par diffraction. Puis, par modulation contrôlée de la phase spatiale, une mise en forme programmable de tache focale est réalisée, suivant une forme de faisceau arbitraire définie par l'utilisateur. Une variété de motifs de grande qualité ont été obtenus au point focal d'une lentille sur des dimensions réduites (70 µm) : top-hat, carré, anneau, triangle, rectangle.<br />Dans la seconde partie, ce dispositif est mis à profit pour l'interaction laser-matière femtoseconde, où le matériau est modifié essentiellement dans la zone irradiée : micro-usinage en surface (métaux) et micro-structuration en volume (diélectriques transparents).<br />La mise en forme de faisceau rend accessible l'usinage direct de formes complexes, tandis que la correction de front d'onde permet la photoinscription contrôlée de guides d'ondes via la modification locale d'indice de réfraction. Un gain appréciable de qualité, de précision et de contrôle est démontré, permettant à la fois l'optimisation et l'extension des procédés applicatifs des lasers en régime femtoseconde.