In the near future, Gen II, III, and IV nuclear reactors will be in operation. UO2 is a common fuel for reactors in each of these generations and molten salts are used as coolant/fuel in Gen IV molten salt reactors. This thesis investigates potential ways to measure thermal conductivity for these materials: Raman thermometry for UO2 and a needle probe for molten salts. Four Raman thermometry techniques are investigated in this thesis: The Two Laser Raman (TLR), Time Differential Domain Raman (TDDR), Frequency Resolved Raman (FRR), and Frequency Domain Raman (FDR). The TLR is a steady state method used with a thin film. The TDDR and FRR are both time domain methods used with thin cantilever samples. The FDR is a frequency domain method used with a thermally thick sample. Monte Carlo like simulations are performed for each technique. In the simulations, the affect introduced uncertainty has on the measurement of thermal conductivity and thermal diffusivity is measured. From the results, it is recommended that the TLR should be used for measuring thermal conductivity and the FRR used for measuring thermal diffusivity. The TDDR and FDR were heavily affected by the uncertainty which resulted in inconsistent measured thermal properties. For measuring the thermal conductivity of molten salt, a needle probe was designed and manufactured to withstand the corrosive environment found in using molten salts. The probe uses modulated joule heating and measures the temperature rise in a thermocouple. The phase delay and temperature amplitude of the thermocouple are used in determining the thermal conductivity. A new thermal quadrupole based analytical solution, which takes into consideration convection and radiation, to the temperature rise of the probe is presented. The analytical solution is verified using a numerical solution found using COMSOL. Preliminary data was obtained with the probe in water.

AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) have appeared as attractive candidates for high power, high frequency, and high temperature operation at microwave frequencies. In particular, these devices are being considered for use in the area of high RF power for microwave and millimeter wave communications transmitter applications at frequencies greater than 100 GHz and at temperatures greater than about 150 °C. However, there are concerns regarding the reliability of AlGaN/GaN HEMTs. First of all, thermal reliability is the chief concern since high channel temperatures significantly affect the lifetime of the devices. Therefore, it is necessary to find the solutions to decrease the temperature of AlGaN/GaN HEMTs. In this study, we explored the methods to reduce the channel temperature via high thermal conductivity diamond as substrates of GaN. Experimental verification of AlGaN/GaN HEMTs on diamond substrates was performed using micro-Raman spectroscopy, and investigation of the design space for devices was conducted using finite element analysis as well. In addition to the thermal impact on reliability, environmental effects can also play a role in device degradation. Using high density and pinhole free films deposited using atomic layer deposition, we also explore the use of ultra-thin barrier films for the protection of AlGaN/GaN HEMTs in high humidity and high temperature environments. The results show that it is possible to protect the devices from the effects of moisture under high negative gate bias stress testing, whereas devices, which were unprotected, failed under the same bias stress conditions. Thus, the use of the atomic layer deposition (ALD) coatings may provide added benefits in the protection and packaging of AlGaN/GaN HEMTs.

La compréhension des processus et des modalités de l’inversion des systèmes extensifs et plus particulièrement les domaines de marges amincies, dans les chaines de collision est un enjeu majeur. La chaîne intracontinentale des Pyrénées constitue un exemple d’inversion de marges passives hyper-amincies, associées à un métamorphisme HT-BP et intégrées dans le prisme orogénique. La première partie de cette étude est centrée sur l’étude de la répartition du métamorphisme HT-BP associé à la phase de rifting et de l’exhumation du manteau lithosphérique. L’apport des données de TRSCM a permis, dans un premier temps, de définir l’enveloppe de la ZIM caractérisée par des températures comprises entre 400 et 630°C à l’échelle de l’ensemble de la chaîne et de montrer qu’il n’existe pas de gradient significatif des températures maximales à cette échelle. Dans un second temps, cette étude a permis de mettre en évidence des sauts de température importants au travers de failles majeures et de distinguer des gradients de températures latéraux à l’échelle des différents bassins constituant la ZIM, en particulier dans l’ouest de la chaîne sur l’exemple de la Nappe de Marbres. Cette partie de l’étude montre également l’importance d’une tectonique salifère antérieure au métamorphisme de HT-BP. La seconde partie de cette étude, concernant la structure de la ZIM met en évidence trois phases de déformation, associées à l’orogenèse pyrénéenne ainsi que le rôle du niveau de décollement des évaporites du Trias supérieur dans l’allochtonie généralisée de la ZIM. De plus, les failles majeures observées dans la ZNP, montrent un mouvement inverse avec une composante décrochante sénestre. L’interprétation de l’ensemble de ces résultats suggère que la ZIM et la ZNP ne forme qu’une seule unité découplée du socle varisque au niveau du Trias supérieur et déplacée par des chevauchements plats issus de l’héritage extensif, lors du début de la convergence. Le mode de déformation est alors de type thin-skinned, puis devient, lors de la collision des deux paléomarges, de type thick-skinned, avec le développement de faille majeures associées à l’exhumation des blocs de socle (Massifs Nord-Pyrénéens) qui ont découpé l’ensemble de la ZIM. / The understanding of the processes and scenarios of the inversion of extensional systems, and more specifically of hyper-extended margins, in collision thrust belts is a major issue. The intracontinental belt of the Pyrenees is an example of inversion of hyper-extended margins, associated with a HT-LP metamorphism and then integrated within the orogenic wedge. The first part of this study is focused on the distribution of the HT-LP metamorphism associated with rifting and the exhumation of lithospheric mantle. A new set of TRSCM data allows the recognition of the geometry of the IMZ, characterized with temperature ranging from 400 to 630°C and shows the absence of a regional gradient at this scale. This study then shows significant temperature gaps across major faults and distinguishes lateral temperature gradients at the scale of the different basins constituting the IMZ, especially in the westernmost part of the belt, in the Nappe des Marbres Basin. This part of the study moreover shows the importance of a salt tectonics prior to the HT-LP metamorphism. The second part shows the existence of three main tectonics phases during the Pyrenean orogeny and the role played by the Late Triassic evaporites as a decollement level in the generalized allochthony of the IMZ. A left-lateral component along the main faults within and along the boundaries of the North Pyrenean Zone (ZNP) is also shown. The interpretation of these observations is that the IMZ and ZNP form a single tectonic unit, decoupled from the Variscan basement by the decollement in the Late Triassic deposits and displaced above shallow-dipping thrust faults inherited from the rifting episode, during the first stages of the convergence. Deformation mode is then thin-skinned and becomes thick-skinned when the two paleomargins collide, with the development of major steeper faults linked with the exhumation of basement blocks (North Pyrenean Massifs) that dissected the IMZ.

Ce mémoire de thèse aborde la caractérisation expérimentale du transfert thermique à l’échelle nanométrique dans des matériaux compatibles avec les procédés de la micro-électronique. Pour cela deux techniques de caractérisation sont appliquées chacune à deux différents systèmes, le silicium mésoporeux irradié et les membranes de silicium suspendues. La première technique de caractérisation est la thermométrie micro-Raman. La puissance du laser chauffe l'échantillon exposé. La détermination de la conductivité thermique nécessite la modélisation de la source de chaleur par la méthode des éléments finis. Dans les cas considérés la modélisation de la source de chaleur repose sur différents paramètres qui doivent être soigneusement déterminés. La seconde technique de caractérisation est la microscopie à sonde locale (d’acronyme anglais SThM), basée sur le principe de la microscopie à force atomique (d’acronyme anglais AFM). Utilisée en mode actif, la sonde AFM est remplacée par une sonde résistive de type Wollaston qui est chauffée par effet Joule. Utilisée en mode AFM contact, cette technique permet une excitation thermique locale du matériau étudié. La détermination de la conductivité thermique nécessite l'analyse de la réponse thermique de la sonde au moyen d'échantillons d'étalonnage et également via la modélisation dans le cas des géométries complexes. L'effet de la position de la pointe sur le transfert de chaleur entre la pointe et l'échantillon est étudié. Une nouvelle méthode de découplage entre le transfert de chaleur entre la pointe et l'échantillon, respectivement à travers l'air et au contact, est proposée pour la détermination de la conductivité thermique des géométries complexes. Les résultats obtenus avec les deux techniques pour les échantillons de silicium mésoporeux irradiés à l’aide d’ions lourds dans le régime électronique sont en bon accord. Ils montrent la dégradation de la conductivité thermique du silicium mésoporeux suite à une augmentation dans la phase d’amorphe lorsque la dose d’irradiation croît. Les résultats obtenus sur les membranes de silicium suspendues montrent une réduction de la conductivité thermique de plus de 50 % par rapport au silicium massif. Lorsque la membrane est perforée périodiquement afin de réaliser une structure phononique de période inférieure à 100 nm, cette réduction est approximativement d’un ordre de grandeur. Un chapitre introduisant un matériau prometteur à base de silicium pour observer des effets de cohérence phononique conclut le manuscrit. / This PhD thesis deals with the experimental characterization of heat transfer at the nanoscale in materials compatible with microelectronic processes. Two characterization techniques are applied to two different systems, irradiated mesoporous silicon and suspended silicon membranes. The first characterization technique is micro-Raman thermometry. The laser power heats up the exposed sample. The determination of the thermal conductivity requires the modeling of the heat source using finite element simulations. The modeling of the heat source relies on different parameters that should be carefully determined. The second characterization technique is Scanning Thermal Microscopy (SThM), an Atomic Force Microscopy (AFM)-based technique. Operated in its active mode, the AFM probe is replaced by a resistive Wollaston probe that is heated by Joule heating. Used in AFM contact mode, this technique allows a local thermal excitation of the studied material. The determination of the thermal conductivity requires the analysis of the thermal response of the probe using calibration samples and modeling when dealing with complicated geometries. The effect of the tip position on heat transfer between the tip and the sample is studied. A new method decoupling the heat transfer between the tip and the sample, at the contact and through air, is proposed for determining the thermal conductivity of complicated geometries. The results obtained from the two techniques on irradiated mesoporous silicon samples using heavy ions in the electronic regime are in good agreement. They show a degradation of the thermal conductivity of mesoporous silicon due to the increase in the amorphous phase while increasing the ion fluence. The results obtained on suspended silicon membrane strips show a decrease in the thermal conductivity of more than 50 % in comparison to bulk silicon. When perforated into a phononic structure of sub-100 nm period, the membrane thermal conductivity is about one order of magnitude lower than the bulk. A chapter introducing a promising silicon-based material for the evidence of phonon coherence concludes the manuscript.