L'objectif de cette thèse était de développer de nouvelles méthodes micro- et nano-thermométriques proposant de hautes résolutions spatiales et temporelles. Dans ce cadre nous nous sommes concentrés sur deux tâches : dans un premier temps, nous avons développé un dispositif de nano-chauffage qui peut aisément servir à la caractérisation thermo-physique de matériaux à l'échelle nanométrique. Dans un second temps, en utilisant cette plate-forme nous avons étudié des matériaux thermosensibles, incluant divers luminophores et des complexes à transition de spin ainsi que leurs mélanges. Les dispositifs de nano-chauffage, basés sur des nanofils chauffés par effet Joule, ont été fabriqués par lithographie électronique conventionnelle. Grâce à leur faible inertie thermique, les dispositifs basés sur des nanofils sont particulièrement intéressants en termes de temps de réponse et de confinement des changements de température induits. La caractérisation thermique de ces éléments de chauffage a été réalisée à l'aide de méthodes électriques et optiques ainsi que de simulations par éléments finis. Nous avons montré expérimentalement que nos chauffages prodiguent des perturbations en température (1 K < DeltaT < 80 K) rapides (< µs) et spatialement localisées (< µm) lorsque stimulées par des impulsions de courant électrique. Les simulations par éléments finis reproduisent ces résultats expérimentaux avec une bonne précision et prouvent ainsi leur intérêt pour le design de tels dispositifs. Les performances thermométriques de matériaux fluorescents, incluant des colorants organiques (Rhodamine B), des nanoparticules inorganiques (PbF2:Er3+/Yb3+, CdSe) et des nanoparticules hybrides organiques/inorganiques ([Fe(Htrz)2(trz)]BF4@SiO2-pyrene), ont ensuite été étudiées. D'une manière générale, leur intérêt pour l'imagerie thermique a été démontré, mais des problèmes de stabilité rendent les mesures quantitatives difficiles avec de tels matériaux. D'un autre côté, nous avons réussi à synthétiser des films de nanoparticules du complexe à transition de spin [Fe(Htrz)2(trz)]BF4 (non-dopé). Ces films qui nous ont permis de suivre les changements de température à l'aide de mesures de réflectivité optique plus robustes. La boucle d'hystérèse thermique dans ce matériau procure un effet de mémoire thermique à long terme dont nous avons usé avec succès pour imager les changements de température très rapides (< µs) et spatialement localisés (< µm) - même après que la chaleur se soit dissipée. Cette méthode originale nous procure une combinaison sans précédent de sensitivité spatio-temporelle dans le champ de la nano-thermométrie aux applications pratiques prometteuses. / The overall objective of this PhD thesis was to develop novel micro- and nano-thermometry methods providing high spatial and temporal resolution thermal imaging. To achieve this goal we have focused on two tasks: First, we developed a nano-heater device that can be easily employed for the thermo-physical characterization of materials at the nanoscale. In a second time, using this platform we investigated thermo-sensitive materials, including different luminophores and spin crossover complexes as well as their mixtures. The nano-heater device, based on Joule-heated metallic nanowires, was fabricated by standard electron beam lithography. Due to their small thermal mass, nanowire based devices are particularly interesting in terms of response times and also in terms of confinement of the induced temperature changes. The thermal characterization of these heating elements was carried out using electrical and optical methods as well as finite element simulations. We have shown experimentally that our heaters can provide fast (< µs) and spatially well localized (< µm) T-jump perturbations (1 K < DeltaT < 80 K) driven by an electrical current pulse. Finite element simulations reproduced these experimental results with good accuracy and proved to be a powerful tool of prediction for the device design. Fluorescent materials, including organic dyes (Rhodamine B), inorganic nanoparticles (PbF2:Er3+/Yb3+, CdSe) and hybrid organic/inorganic nanoparticles ([Fe(Htrz)2(trz)]BF4@SiO2-pyrene), were then investigated for their thermometry performance. Overall, they were found useful for thermal imaging, but stability problems make quantitative measurements challenging with these materials. On the other hand, we have succeeded in synthesizing nanoparticle films of the (undoped) [Fe(Htrz)2(trz)]BF4 spin crossover complex, which allowed us to infer temperature changes through more robust optical reflectivity measurements. The thermal hysteresis loop in this material provides a long-term thermal memory effect which we used successfully to image very fast (˜µs) transient temperature changes with high spatial resolution (sub-µm) - even when the heat is dissipated. This original method provides an unprecedented combination of spatio-temporal sensitivity within the field of nanothermometry with promising potential applications.

Cette thèse présente une approche originale du procédé de distillation membranaire avec balayage gazeux pour la concentration des solutions thermosensibles (SGMD). Pour ce faire, un nouveau contacteur membranaire avec des fibres creuses métalliques a été conçu afin réaliser le procédé de distillation à basse température. La chaleur nécessaire au procédé est produite au niveau des fibres par effet Joule, plutôt qu'à partir de chaleur latente de la phase aqueuse. La génération localisée de la chaleur a comme conséquence une réduction du phénomène de polarisation de la température. Des fibres creuses en acier inoxydable ont été synthétisées avec les propriétés structurales appropriées et une bonne résistance mécanique. La surface des pores des fibres a été rendue hydrophobe par le dépôt d'une fine couche d'un élastomère. En outre, une nouvelle méthode « verte » a été développée pour fabriquer des fibres creuses en alumine et acier inoxydable. Cette méthode est basée sur la gélification ionique des bio-polymères et ne n'utilise pas des solvants nocifs. L'étude expérimentale détaillée du SGMD a permis de déterminer l'influence de différents paramètres opérationnels sur les performances du procédé. Il a été démontré que l'effet Joule permet d'améliorer le flux et l'efficacité de la séparation non seulement pour le SGMD mais aussi pour la pervaporation. / This thesis presents an original approach for the concentration of thermo-sensitive solutions: the Sweep Gas Membrane Distillation (SGMD) process. A new membrane contactor with metallic hollow fibers has been designed and allows the distillation process to be operational at low temperature. Heat is generated in the fibers by the Joule effect, rather than being supplied as latent heat in the liquid bulk. The localized generation of heat results in a reduction of temperature polarization phenomena. The stainless-steel hollow fiber membranes have been synthetized with appropriate structural properties and sufficient mechanical strength. The pore surface of the fibers has been made hydrophobic by the deposition of a thin layer of an elastomer. Moreover, a novel and green method is presented to fabricate alumina and stainless-steel hollow fibers. This method is based on ionic gelation of a biopolymer and completely avoids the use of harmful solvents. By a detailed experimental study of the SGMD the influence of different operational parameters on the process performance has been investigated. The improvements in the flux and the separation efficiency using Joule effect have been successfully demonstrated, even in the case of pervaporation.

Le silicium est très utilisé dans la production de cellules photovoltaïques mais très peu pour les applications sous concentration. Il possède pourtant un fort potentiel sous concentration grâce à son faible coût et la maturité de sa filière industrielle. De plus, il est possible d'avoir recours à la cogénération pour augmenter fortement les rendements énergétiques du système. La concentration et la cogénération impliquent un fonctionnement de la cellule à une température plus élevée que les conditions standards de test des cellules photovoltaïques. Cela engendre le besoin de connaître le comportement thermique et électrique de la cellule en fonction de sa température de fonctionnement. La variation de celle-ci, en conditions réelles, est pourtant souvent ignorée. Pour remédier à cette lacune, nous présentons un modèle électro-thermo-radiatif pour les cellules photovoltaïques en silicium cristallin. Il réalise le couplage de l'ensemble des phénomènes physiques prenant place dans une cellule photovoltaïque sous éclairement. Grâce à de nombreuses analyses effectuées dans le cadre des travaux de cette thèse, l'importance du comportement thermique d'une cellule photovoltaïque pour sa conception est mise en évidence. Entre autres, la variation de la température de la cellule avec sa tension que nous avons confirmé expérimentalement grâce à des mesures de température différentes de 2°C entre le Mpp et le Voc. Un des paramètres majeurs influençant le comportement électrique et thermique d’une cellule photovoltaïque en silicium est la densité de porteurs de charge intrinsèque du silicium, ni. Le développement du modèle électro-thermo-radiatif nous a amené à proposer une nouvelle expression semi-empirique de sa variation en fonction de la température. En complément de ces avancées théoriques, la réalisation de cellules photovoltaïques à contacts arrière interdigités implantées ioniquement (3IBC) a été menée. Nous avons diminué le nombre d'étapes nécessaires à sa réalisation et amélioré sa métallisation grâce à un empilement Si/Ti/Ag permettant d'espérer un gain absolu pour le Jsc de 0.72 mA.cm-2. Un rendement de 14.6% a été obtenu sous 1 soleil avec une cellule 3IBC dont la résistance série est de seulement 0.4 Ω.cm2 ce qui confirme le potentiel des cellules 3IBC pour la concentration linéaire. / Silicon is largely used to produce solar cells but not for applications under concentration. Nevertheless, it has a great potential under concentration thanks to its low cost and the maturity of its industry. Moreover, it is possible to cogenerate electric and thermal power in order to increase the energy output. Cogeneration and concentration imply a higher operating temperature than under standard conditions. Thus, it is interesting to understand the thermal and électrical behavior of the cell as a functiton of its temperature. However the variation of the operating temperature is often ignored. In order to change this, we propose an electro-thermo-radiative model for crystalline silicon solar cells. It couples all phenomenon taking place in an illuminated solar cell. Thanks to this thesis, the importance of the thermal behavior is outlined. For example, the temperature variation as a function of the voltage that we confirmed experimentaly thanks to mesures of the cell temperature at Mpp and at Voc. One of the most important parameters in a silicon solar cell is the intrinsic carrier density, ni. The work on the electro-thermo-radiative model led us to propose a new semi-empirical temperature variation of ni. In addition to these theoretical analysis, we realized ionically implanted interdigitated back contacts solar cells (3IBC). Thanks to this work fewer process steps are needed and the improved metallization (Si/Ti/Ag) possibly lead an absolute Jsc gain of 0.72 mA.cm-2. The efficiency of the best 3IBC cell is 14.6% under 1 sun illumination with a particularly low series resistance (0.4 Ω.cm2) which confirm the potential of such cells for linear concentration.

My thesis is devoted to the study of transport properties of Silicon Nanowires obtained by a bottom-up approach. The choice for the material system has been limited to undoped SiNWs because they are considered as the ultimate choice for ultrascaled electronic devices. For these systems, the problem of an effective carrier injection in the semiconductor is particularly important. The mechanism of carrier injection in Gate-All-Around Schottky barrier transistors was studied by temperature dependent measurements. Multiple gates are used to discriminate between different device switching mechanisms occurring either at the source and drain contacts, or at the level of the silicon channel. The gating scheme has proved be effective in suppressing the Schottky barrier enabling carrier injection at low temperature. Moreover, different electronic functionalities like p-n junctions and logic gates can be successfully implemented in such devices without the need of doping. I will describe a novel technique for the fabrication of metal silicide contacts to individual silicon nanowires based on an electrically-controlled Joule annealing process. This has enabled the realization of silicide-silicon-silicide tunnel junctions with silicon channel lengths down to 8nm. The silicidation of silicon nanowires by Nickel and Platinum could be observed in-situ and in real time by performing the experiments of Joule assisted silicidation in the chamber of a Scanning Electron Microscope. Lastly, signatures of resonant tunneling through an isolated Platinum Silicide cluster were detected in a Silicon tunnel junction. Tunneling spectroscopy in a magnetic field revealed the Zeeman splitting of the ground and the excited states.

During this thesis, it has been proved that the electrical conductivity of multilayered and electrically anisotropic carbon fiber materials can be expressed by an equivalent second order tensor, which is equal to sum of each layer’s electrical conductivity tensor. The aforementioned equivalent electrical conductivity tensor is valid assuming that the material’s thickness is negligible compared to the other dimensions of the body. The mathematical expression for the prediction of the electrical conductivity of a multilayered material for any stacking sequence, is based on the electric current conservation, and was validated using different methods. Each layer’s electrical conductivity was experimentally studied at the two principal directions. Transverse to the fibers’ direction, an empirical model was developed for the prediction of the electrical conductivity as a function of the layer’s thickness, of the fibre volume fraction and of temperature. All cases involved the study of multidirectional and unidirectional carbon fiber materials without the presence of matrix (porous form – CF preform) as well as in the presence of polymeric matrix (CFRP). The validation of the equivalent tensor was achieved through three different ways: a) through the measurement of the electric resistance, for various stacking sequences, b) through the Joule heating effect, by recording and comparing the developing temperature field to the respective numerically calculated, c) through 3D numerical models which approximate the analytical solution of the 2D domain problem. Moreover using the finite difference method, certain electrothermal models were developed in order to study the temperature field for different stacking sequences. The electrical problem can be expressed by an elliptic PDE, for the case where the material is electrically anisotropic and homogeneous, or non-homogeneous. On the other hand, the transient heat transfer problem involves the case where the material is thermally anisotropic and homogeneous. Using the equivalent tensor, the 3D domain problem is simplified to a 2D domain problem resulting in less computational requirements for the solution of the problem. The present research study could be used in a plethora of application, such as the development of carbon fibre reinforced heating elements (direct heating CFRP molds) as well as damage detection in multidirectional composite materials with electrical conductive reinforcement. / Κατά τη διάρκεια της παρούσας διδακτορική διατριβής, αποδείχθηκε ότι η ηλεκτρική αγωγιμότητα των πολύστρωτων και ηλεκτρικά ανισότροπων υλικών με ίνες άνθρακα, μπορεί να εκφραστεί από έναν ισοδύναμο τανυστή δεύτερης τάξης, ο οποίος είναι το άθροισμα των τανυστών κάθε στρώσης. Ο ισοδύναμος τανυστής ισχύει υποθέτοντας ότι το πάχος συγκριτικά με τις υπόλοιπες διαστάσεις του υλικού είναι πολύ μικρό. Η μαθηματική έκφραση με την οποία μπορεί να προβλεφθεί η ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός πολύστρωτου υλικού για οποιαδήποτε αλληλουχία στρώσεων αποδείχτηκε με συστηματικό τρόπο και βασίζεται στην αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα κάθε στρώσης μελετήθηκε πειραματικά στις δύο κύριες διευθύνσεις. Κάθετα στη διεύθυνση των ινών αναπτύχθηκε ένα εμπειρικό μοντέλο πρόβλεψης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας συναρτήσει του πάχους της στρώσης, της περιεκτικότητας σε ίνες άνθρακα και της θερμοκρασίας. Σε όλες τις περιπτώσεις μελετήθηκαν πολύστρωτα υλικά ινών άνθρακα χωρίς μήτρα (πορώδης μορφή-CF preforms) και με πολυμερική μήτρα (CFRPs). Η επιβεβαίωση της εγκυρότητας του ισοδύναμου τανυστή έγινε με τρεις διαφορετικούς τρόπους: α) μέσω μετρήσεων της ηλεκτρικής αντίστασης, για διαφορετικές αλληλουχίες στρώσεων, β) μέσω του φαινομένου Joule, καταγράφοντας και συγκρίνοντας το αναπτυσσόμενο θερμοκρασιακό πεδίο με το θερμοκρασιακό πεδίο που υπολογίζεται αριθμητικά, γ) μέσω τρισδιάστατων αριθμητικών μοντέλων όπου τείνουν στην αναλυτική λύση του δισδιάστατου προβλήματος. Στη συνέχεια αναπτύχτηκαν ηλεκτροθερμικά μοντέλα με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών με σκοπό τη μελέτη του θερμοκρασιακού πεδίου για διαφορετικές αλληλουχίες στρώσεων. Το ηλεκτρικό πρόβλημα εκφράζεται από μία ελλειπτική διαφορική εξίσωση όπου το υλικό είναι ηλεκτρικά ανισότροπο και ομογενές ή μη ομογενές ενώ το θερμικό πρόβλημα είναι θερμικά ανισότροπο και ομογενές. Χρησιμοποιώντας τον ισοδύναμο τανυστή το τρισδιάστατο πρόβλημα μετατρέπεται σε ένα δισδιάστατο πρόβλημα με αποτέλεσμα να απαιτούνται λιγότεροι πόροι για την επίλυση του προβλήματος. Η συγκεκριμένη εργασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μία πληθώρα εφαρμογών όπως στην ανάπτυξη και στη λειτουργία θερμαινόμενων στοιχείων ενισχυμένων με ίνες άνθρακα (καλούπια όπου το θερμαντικό στοιχείο το αποτελούν οι ίνες άνθρακα) αλλά και στην ανίχνευση βλάβης συνθέτων υλικών με αγώγιμη ενίσχυση.