Cette thèse fait partie du projet " Bioclay ", s'inscrivant dans une démarche de développement durable visant à obtenir un matériau aux performances énergétiques les plus optimales tout en employant un procédé de fabrication le plus respectueux de l'environnement. L'idée principale de ce projet est d'alléger la brique grâce à des porogènes (matière végétale) de telle sorte que nous obtenions un optimum entre ses propriétés thermiques et mécaniques. De plus, le produit doit répondre aux spécifications de la norme NF EN 771 concernant les éléments en maçonnerie. A l'échelle du bâtiment et suivant la réglementation thermique RT2012, le produit devra contribuer à la baisse de la demande en énergie fixée actuellement à 50 kWhEP/m²/an. Le but de ce travail est, in fine de prévoir le comportement de briques biosourcées tant en termes hygrothermique que mécanique afin d'optimiser les formulations de compositions. Pour cela il est nécessaire de mettre en œuvre des modèles de comportements hygrothermiques et mécaniques. La démarche adoptée a été de réaliser dans un premier temps des éprouvettes type " laboratoire " à base de matière première identique aux briques industrielles du marché. Tous les paramètres nécessaires aux diverses modélisations ont été déterminé sur les matériaux de référence. Le modèle hygrothermique a été validé par comparaison du comportement numérique et expérimental de la brique de référence, il en a été de même pour la validation du modèle mécanique. La caractérisation physique et mécanique de toutes les formulations a été mise en œuvre en termes de nature des produits utilisés pour l'incorporation dans la matrice argileuse (biosourçage), mais aussi de ses proportions, de la quantité de sable et de la quantité d'eau pour la mise en forme. Ces éléments ont permis de prévoir aussi bien les résistances thermiques que mécaniques de la brique commerciale choisie dans ce travail. Finalement, des itérations autour de la conductivité thermique du tesson (phase solide) et de la géométrie de la brique ont pu donner un aperçu de l'impact des formulations du projet Bioclay sur la résistance thermique et le poids des briques. L'industriel disposera ainsi de champs de variations des différents paramètres qui présentent une pertinence performantielle. Ce travail a permis de mettre en évidence les domaines dans lesquels il est possible d'optimiser les performances thermiques et mécaniques qui ne varient pas dans le même sens lors du biosourçage. La validation des prévisions numériques a été concluante suite à la comparaison des résultats issus de la modélisation avec un produit biosourcé obtenu sur la chaîne pilote de l'industriel. / This thesis is part of a collaborative project named " Bioclay ". The aim of this work is to develop new materials and products that are high performance while being fabricated by the most ecofriendly manufacturing process. The scope of " Bioclay " is to develop a high-performance fired clay brick through the incorporation of agricultural by-products. The development of innovative building materials has to comply with the legislations and requirements in "RT2012" concerning environmental impacts by reducing the energy consumption to 50 kWhEP/m²/year through the building component. The goal of this project is to predict the hygrothermal and mechanical behavior of bio-based fired clay bricks by means of numerical simulations involving models corresponding to our materials. First of all, fired clay specimens are made at the laboratory scale, through the same process used for industrial bricks, and tested at various parameters in order to develop hygrothermal and mechanical numerical models based on the results. Furthermore, a battery of tests and experimental iterations (e.g., nature and grain size of agricultural by-products, water and sand quantity...) were carried out on bio-based samples to predict thermal and mechanical resistances of the new commercial bricks. Additionally, numerous simulations were conducted with varying thermal conductivity of solid phase and bricks geometries to provide large application ranges while highlighting the effects of " Bioclay " formulations. Moreover, this work has provided several physical and geometrical configurations for the end product, allowing the manufacturer to choose the most appropriate response for their design requirements.

À partir des noeuds technologiques 45nm, les lignes métalliques des interconnexions des composants microélectroniques sont isolées entre elles par des matériaux diélectriques à faible permittivité (SiOCH poreux). Ces matériaux poreux sont sensibles aux procédés de fabrication et leur dégradation doit être minimisée afin de conserver de bonnes performances électriques et mécaniques. De plus, la réduction des dimensions des lignes métalliques se traduit par une augmentation de la résistivité du cuivre. Pour limiter cette dernière, des travaux sont menés sur la métallurgie et le contrôle de la rugosité des lignes de cuivre. Ce travail se focalise sur deux limites rencontrées lors de la fabrication de structures d'interconnexions : d'une part lors du transfert par gravure plasma de motifs à partir d'un masque métallique ou organique dans les matériaux SiOCH poreux, et d'autre part lors de l'intégration d'un matériau SiOCH hybride, rendu poreux soit après l'étape de gravure ou de métallisation des tranchées. En particulier, il est mis en évidence que les masques de gravure peuvent entraîner une déformation des profils au cours des procédés de gravure plasma des structures sous l'effet de la relaxation de contraintes mécaniques pour les masques métalliques ou de la modification de leur composition pour les masques organiques. Une étude préliminaire, sur le transfert de la rugosité de bord de ligne (LWR) pendant l'étape de gravure, menée à l'aide d'un CD-AFM, est présentée. L'intérêt de l'intégration du matériau SiOCH sous sa forme hybride pour répondre à la problématique de la dégradation des SiOCH poreux par les procédés impliqués lors de la fabrication des niveaux d'interconnexions est démontré.

À partir des noeuds technologiques 45nm, les lignes métalliques des interconnexions des composants microélectroniques sont isolées entre elles par des matériaux diélectriques à faible permittivité (SiOCH poreux). Ces matériaux poreux sont sensibles aux procédés de fabrication et leur dégradation doit être minimisée afin de conserver de bonnes performances électriques et mécaniques. De plus, la réduction des dimensions des lignes métalliques se traduit par une augmentation de la résistivité du cuivre. Pour limiter cette dernière, des travaux sont menés sur la métallurgie et le contrôle de la rugosité des lignes de cuivre. Ce travail se focalise sur deux limites rencontrées lors de la fabrication de structures d'interconnexions : d'une part lors du transfert par gravure plasma de motifs à partir d'un masque métallique ou organique dans les matériaux SiOCH poreux, et d'autre part lors de l'intégration d'un matériau SiOCH hybride, rendu poreux soit après l'étape de gravure ou de métallisation des tranchées. En particulier, il est mis en évidence que les masques de gravure peuvent entraîner une déformation des profils au cours des procédés de gravure plasma des structures sous l'effet de la relaxation de contraintes mécaniques pour les masques métalliques ou de la modification de leur composition pour les masques organiques. Une étude préliminaire, sur le transfert de la rugosité de bord de ligne (LWR) pendant l'étape de gravure, menée à l'aide d'un CD-AFM, est présentée. L'intérêt de l'intégration du matériau SiOCH sous sa forme hybride pour répondre à la problématique de la dégradation des SiOCH poreux par les procédés impliqués lors de la fabrication des niveaux d'interconnexions est démontré.

Pour réduire la taille des dispositifs et les temps de commutation en microélectronique, les lignes d'interconnexions doivent être isolées par du SiOCH poreux. Cependant, la réalisation de tranchées étroites dans le SiOCH poreux nécessite de revoir les différents procédés par plasmas (gravure, traitements post-gravure) et les schémas d'intégration, puisque ce matériau est facilement dégradé lorsqu'il est exposé à un plasma.<br /><br />Cette thèse porte sur les interactions plasmas/matériaux pour l'intégration des SiOCH poreux dans des tranchées très étroites (<100 nm). Les diagnostics des plasmas et l'analyse des matériaux exposés aux plasmas permettent de caractériser et d'optimiser les procédés de transfert de motifs d'un masque métallique ou organique dans un SiOCH poreux ou hybride (rendu poreux en fin d'intégration). La modification des matériaux poreux et hybrides par les plasmas post-gravure est également étudiée.<br /><br />Avec un plasma fluorocarboné, le matériau hybride présente des mécanismes de gravure similaires à ceux d'un SiOCH dense. Le TiN et le matériau organique ont des mécanismes de gravure différents de ceux des diélectriques, ce qui assure une bonne sélectivité. Le procédé de gravure optimisé pour le masque organique permet la gravure de tranchées très étroites avec un profil quasiment vertical. Par contre, le contrôle dimensionnel de tranchées étroites est plus difficile avec un masque en TiN, en raison de dépôts métalliques sur les flancs, de profils en forme de tonneaux, et du flambage des lignes. Après l'étape de gravure, les matériaux poreux et hybrides sont modifiés par les plasmas post-gravure.

Les matériaux polymères poreux font l'objet d'intenses recherches depuis de nombreuses années et présentent certains avantages importants par rapport à leurs homologues inorganiques, comme des propriétés mécaniques modulables, une fonctionnalisation aisée et surtout un coût de production plus faible. Au cours de la dernière décennie, les matériaux à double porosité ont attiré une attention particulière de la communauté scientifique car ces matériaux offrent de nouvelles perspectives intéressantes pour l'élaboration de matériaux durables. Le rôle de chaque niveau de porosité est différent et associé à des processus de transfert de masse distincts. Les macropores (~ 100 µm) permettraient l'écoulement de macromolécules ou de cellules à travers le matériau, tandis qu'un réseau nanoporeux (10-100 nm) serait dédié au passage de molécules plus petites, agissant ainsi comme un deuxième mécanisme de transport, en particulier lorsque des macropores sont totalement obstrués. La première partie de ce travail porte sur le développement d'approches polyvalentes et efficaces pour la préparation de matériaux à double porosité biocompatibles à base de poly(méthacrylate de 2-hydroxyéthyle) (PHEMA). La première approche a reposé sur l'utilisation de deux types distincts de gabarits porogènes, à savoir un macroporogène et un nanoporogène. Pour générer la macroporosité, soit des particules de NaCl ou des billes de PMMA, pouvant être fusionnées ou non, ont été utilisées afin de contrôler la morphologie l'interconnectivité des pores. Le nanoporosité a été obtenue en utilisant diverses quantités de différents solvants porogènes, générant ainsi une large gamme de distributions de tailles de pores pour ce second niveau de porosité. La seconde méthodologie a été fondée sur le procédé de séparation de phases induite thermiquement. Un mélange de co-solvants constitué de dioxane et d'eau a été utilisé pour solubiliser le PHEMA linéaire préalablement préparé, suivi par un processus de solidification par congélation du mélange de co-solvants / PHEMA, et sublimation consécutive des co-solvants pour produire les matériaux de PHEMA biporeux correspondants. Enfin, les matériaux à double porosité ont été valorisés à travers différentes réactions de fonctionnalisation en utilisant la chimie du carbonyldiimidazole, et l'immobilisation postérieure de nanoparticules d'or générées in-situ. De tels matériaux hybrides à double porosité se sont avérés être des supports catalytiques efficaces.Dans la deuxième partie, nous avons déterminé numériquement la perméabilité des matériaux à double porosité. La méthodologie a été fondée sur une approche à double changement d'échelle dans le cadre des théories d'homogénéisation périodique et sur des calculs de cellules élémentaires. Le premier changement d'échelle a consisté à déterminer une première perméabilité associée au réseau de nanopores. A cette échelle, les pores ont été saturés par un fluide visqueux obéissant aux équations de Stokes et le problème a été résolu par une approche classiques d'éléments finis ou en utilisant des techniques plus récentes à base de la transformée de Fourier rapide. À l'échelle mésoscopique, l'écoulement du fluide a obéi aux équations de Stokes dans les macropores et aux équations de Darcy dans le solide perméable. Le problème de cellules élémentaires couplant les équations de Darcy et Stokes a été résolu par la méthode des éléments finis afin de calculer la perméabilité macroscopique finale. Dans cette optique, nous avons développé une méthode fondée sur une formulation variationnelle mixte qui a été mise en œuvre en prenant différents éléments dans les domaines de solide et fluide. Divers exemples 2D et 3D sont fournis pour illustrer la précision et la capacité des méthodes numériques proposées pour calculer la perméabilité macroscopique des matériaux biporeux / Polymer-based porous materials have been the subject of intense research for many years and present some important advantages over their inorganic counterparts, such as tunable mechanical properties, ease to be functionalized, and especially lower production cost. Over the last decade, materials with dual porosity have attracted a particular attention from the scientific community, as these peculiar materials offer new interesting perspectives for engineering sustainable materials. The role of each porosity level is different and associated with distinct mass transfer processes. Macropores (~100 µm) would allow macromolecules and cells flow through the material, while a nanoporous network (10-100 nm) would be dedicated to the passage of smaller molecules, thus acting as a second transport mechanism, especially when macropores are totally clogged. The first part of this work addresses the development of versatile and effective approaches to biocompatible doubly porous poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA)-based materials. The first approach relied on the use of two distinct types of porogen templates, i.e. a macroporogen and a nanoporogen. To generate the macroporosity, either NaCl particles or PMMA beads that could be fused or not, were used in order to control the pore morphology and interconnectivity of the materials. The nanoporosity was obtained by using various amounts of different porogenic solvents, thus generating a wide range of pore size distributions for this second porosity level. The second methodology was based on the thermally-induced phase separation process. A co-solvent mixture constituted of dioxane and water was used to solubilize previously prepared linear PHEMA, followed by a solidification process by freezing the co-solvents/PHEMA mixture, and subsequent sublimation of the co-solvents to generate the corresponding biporous PHEMA materials. Finally, advantage of doubly porous materials was taken through different functionalization reactions using carbonyldiimidazole chemistry, and further immobilization of in-situ generated gold nanoparticles. Such hybrid doubly porous materials proved to act as efficient catalytic supports. In the second part, we numerically determined the permeability of doubly porous materials. The methodology was based on a double upscaling approach in the field of periodic homogenization theories and on unit cell calculations. The first upscaling consisted in the determination of a first permeability associated with the array of nanoscopic pores. At this scale, the pores were saturated by a viscous fluid obeying the Stokes equations and the problem was solved by means of standard Finite-Element approaches or using more recent techniques based on Fast Fourier Transform. At the mesoscopic scale, the fluid flow obeyed the Stokes equations in the macropores and the Darcy equations in the permeable solid. The unit cell problem coupling Darcy and Stokes equations was solved by the Finite Element method in order to compute the final macroscopic permeability. To this purpose, we developed a method based on a mixed variational formulation which was implemented by taking different elements in the solid and fluid regions. Various 2D and 3D examples were provided to illustrate the accuracy and the capacity of the proposed numerical methods to compute the macroscopic permeability of biporous materials