L'utilisation des matériaux polymères dans les applications de l'ingénierie augmente de plus en plus da part le monde. L'utilisation du polyéthylène (PE) dans la construction de canalisations est l'un des exemples les plus courant. Ceci exige de nouvelles méthodes afin d'évaluer la capacité du matériau à supporter des chargements mécaniques. Dans la présente thèse, le comportement contrainte-déformation en grandes déformations du PE haute densité (PEHD) a été examinée dans différentes configurations de triaxialité. Un large domaine de conditions de chargements (traction, compression et cisaillement simple) a été exploré. L'investigation a été réalisée à partir d'échantillons découpés dans des canalisations en PEHD. Les essais de traction ont été faits à partir d'échantillons sabliers présentant plusieurs rayons de courbure afin de fixer différents états de contrainte dans la section médiane. Une attention particulière a été portée à l'évolution de la déformation volumique résultant de l'endommagement par cavitation. L'effet de la triaxialité sur la déformation à rupture a pu également être dégagé. La méthode des éléments finis (EF) a été utilisée pour simuler le comportement en grandes déformations du PEHD. De plus, le phénomène d'endommagement par croissance de vide a été étudié à partir de cellules unitaires soumises à différentes conditions de triaxialité. Afin d'évaluer le comportement à la rupture du PEHD, une méthode expérimentale basée sur l'hypothèse de la séparation de la charge a été élaborée. En outre, une analyse numérique par EF a été réalisée pour le calcul des paramètres de rupture. L'investigation a été réalisée dans les directions longitudinale et radiale. / The use of thermoplastic materials in engineering applications is growing more and more all over the world. The use of polyethylene (PE) in pressure vessels and pipelines is one of the most common examples. This issue demands new methodologies in order to assess the material capability to withstand loads. In the present thesis, the stress-strain response under large plastic deformation of high density PE (HDPE) was investigated in different triaxiality frameworks. A wide range of loading conditions (tension, compression and simple shear) was explored. Investigation was performed using specimens cut from HDPE pipes. The tensile tests were achieved on hourglass-shaped specimens with different curvature radii in order to set different stress states in the median cross-section. The tests were achieved by means of an optical measuring system. A particular attention was given on the evolution of volumetric strain resulting from cavitation damage. The effect of stress triaxilality on the fracture strain was also examined. The finite element (FE) method was used to simulate the large deformation bahaviour of HDPE material when subjected to tensile loading. Moreover, the damage phenomenon by void growth was studied using an axisymmetric representative volume element with different triaxiality conditions. In order to evaluate the fracture behaviour of HDPE pipe, an experimental method based on load separation assumption was developed. Furthermore, a numerical analysis using FE method has been conducted for calculating the fracture parameters. The investigation of fracture parameters and bahaviour of HDPE was performed in longitudinal and radial directions.

L'étude de l'émission intégrée et résolue en temps de quatre configurations d'hétérostructures quantiques de type points-dans-un-fil d'InGaN/GaN nous a permis de déterminer la nature de la localisation et du mécanisme de recombinaison des porteurs de charge dans ces nanofils. Des mesures de comptage de photon unique correlés en temps (TCSPC) étendues sur une plage temporelle allant de 210 à 26000ns ont permis d'observer un comportement fortement non exponentiel de l'émission que nous avons déterminé être une loi de puissance. Nous avons trouvé que le temps de vie de l'émission diminue rapidement avec l'énergie d'émission. Par contre, l'observation d'un effet de la puissance d'excitation sur le temps de vie semble indiquer qu'à une énergie d'émission ne soit pas associée une seule dynamique d'émission à long temps. En utilisant une densité d'excitation laser de seulement quelques dizaines de watt par cm au carré, nous avons pu démontrer, en régime non perturbatif, que le profil des spectres d'émission intégrés en temps ainsi que la dynamique de l'évolution temporelle de l'émission étaient tout à fait compatibles avec une recombinaison radiative centrée sur une distribution de nano-agrégats riches en indium naturellement formés lors de la croissance des nanofils par MBE assistée par plasma. Cette conclusion est supportée par notre incapacité à observer l'effet Stark à confinement quantique, le succès d'un modèle de séparation de charges parfaitement compatible avec l'image des nano-agrégats d'indium et, finalement, par l'observation d'une émission principalement isotrope en polarisation. / We have performed time-integrated and time-resolved photoluminescence measurements on four different configurations of InGaN/GaN dot-in-a-wire heterostructures in order to further our understanding of the localization and radiative recombination mechanism involved in the process of emission. Time correlated single photon counting (TCSPC) measurements from 100 ns to 26000 ns have allowed us to observe a strong non-exponential decay which follows a power law on long time scale. The characteristic exponent of this power law is strongly correlated with the emission energy, causing the life-time of the emission to fall rapidly with increasing of its energies. The observation that the excitation power has an effect on the life-time shows that other factors such as the growth conditions must be involved in the coupling between life-time and energy. Using a low power density of a few tens of watts per cm squared, we have shown, in a non perturbative regime, that the shape of the time-integrated spectra and the dynamics of the time-resolved decay curves were consistent with a radiative recombination process centered on In-rich nanocluster. These nanoclusters naturally occur in the embedded InGaN inclusions during the growth by plasma-assisted MBE. This conclusion is supported by the absence of Quantum confined Stark effect. The success of a charge separation model is perfectly consistent with the emission centered on In-rich nanocluster and the observation of a quasiperfect isotropic emission. / Mesures effectuées dans le laboratoire de caractérisation optique des semi-conducteurs du Prof. Richard Leonelli du département de physique de l'université de Montréal. Les nanofils d'InGaN/GaN ont été fournis par le groupe du Prof. Zetian Mi du département de génie électrique et informatique de l'université McGill.

Mesures effectuées dans le laboratoire de caractérisation optique des semi-conducteurs du Prof. Richard Leonelli du département de physique de l'université de Montréal. Les nanofils d'InGaN/GaN ont été fournis par le groupe du Prof. Zetian Mi du département de génie électrique et informatique de l'université McGill. / L'étude de l'émission intégrée et résolue en temps de quatre configurations d'hétérostructures quantiques de type points-dans-un-fil d'InGaN/GaN nous a permis de déterminer la nature de la localisation et du mécanisme de recombinaison des porteurs de charge dans ces nanofils. Des mesures de comptage de photon unique correlés en temps (TCSPC) étendues sur une plage temporelle allant de 210 à 26000ns ont permis d'observer un comportement fortement non exponentiel de l'émission que nous avons déterminé être une loi de puissance. Nous avons trouvé que le temps de vie de l'émission diminue rapidement avec l'énergie d'émission. Par contre, l'observation d'un effet de la puissance d'excitation sur le temps de vie semble indiquer qu'à une énergie d'émission ne soit pas associée une seule dynamique d'émission à long temps. En utilisant une densité d'excitation laser de seulement quelques dizaines de watt par cm au carré, nous avons pu démontrer, en régime non perturbatif, que le profil des spectres d'émission intégrés en temps ainsi que la dynamique de l'évolution temporelle de l'émission étaient tout à fait compatibles avec une recombinaison radiative centrée sur une distribution de nano-agrégats riches en indium naturellement formés lors de la croissance des nanofils par MBE assistée par plasma. Cette conclusion est supportée par notre incapacité à observer l'effet Stark à confinement quantique, le succès d'un modèle de séparation de charges parfaitement compatible avec l'image des nano-agrégats d'indium et, finalement, par l'observation d'une émission principalement isotrope en polarisation. / We have performed time-integrated and time-resolved photoluminescence measurements on four different configurations of InGaN/GaN dot-in-a-wire heterostructures in order to further our understanding of the localization and radiative recombination mechanism involved in the process of emission. Time correlated single photon counting (TCSPC) measurements from 100 ns to 26000 ns have allowed us to observe a strong non-exponential decay which follows a power law on long time scale. The characteristic exponent of this power law is strongly correlated with the emission energy, causing the life-time of the emission to fall rapidly with increasing of its energies. The observation that the excitation power has an effect on the life-time shows that other factors such as the growth conditions must be involved in the coupling between life-time and energy. Using a low power density of a few tens of watts per cm squared, we have shown, in a non perturbative regime, that the shape of the time-integrated spectra and the dynamics of the time-resolved decay curves were consistent with a radiative recombination process centered on In-rich nanocluster. These nanoclusters naturally occur in the embedded InGaN inclusions during the growth by plasma-assisted MBE. This conclusion is supported by the absence of Quantum confined Stark effect. The success of a charge separation model is perfectly consistent with the emission centered on In-rich nanocluster and the observation of a quasiperfect isotropic emission.

La glace, le quartz, l'oxyde de magnésium ou encore les bonbons Wint-o-green (produits par Life Savers) sont quelques-uns des matériaux connus pour émettre de la lumière lors de leur fracture. Ce phénomène, appelé fractoluminescence, révèle que la fracture met en jeu des processus plus complexes que la seule création de surfaces. Ces émissions lumineuses permettent-elles d'analyser l'endommagement des matériaux, au même titre que les émissions acoustiques ? Né de l'union imprévue entre mécanique de la fracture et physique des particules, un montage expérimental a été développé pour étudier les émissions lumineuses et acoustiques lors de la fracture de scintillateurs inorganiques — matériaux couramment utilisés comme détecteurs de particules. Trois types de scintillateurs inorganiques ont été étudiés : le CdWO4, le ZnWO4, et le BGO. Il a été démontré que le CdWO4 et le ZnWO4 émettent de la lumière lors de leur fracture à pression ambiante. Des tests plus poussés ont été menés sur le BGO. Le phénomène de fractoluminescence dans le BGO a été étudié dans le cas de la fracture lente et de la fracture rapide, dans différentes conditions de pression : pression ambiante et basse pression (10−5 mbar). Dans chaque cas, des émissions lumineuses ont été observées mais elles dépendent fortement de l'environnement et des conditions de chargement de l'échantillon. Lors de la fracture lente sous vide, les émissions de lumière semblent globalement corrélées en temps à l'avancée de la fissure et aux émissions acoustiques, souvent employées en mécanique de la fracture comme indicateurs de l'endommagement. La résolution temporelle de la voie lumineuse à la nanoseconde a montré l'existence de groupes de photons pendant la fracture, à des échelles de temps inaccessibles par les méthodes acoustiques classiques. Le montage expérimental permet aussi de mesurer la quantité de lumière émise. L'énergie lumineuse lors de la fracture lente sous vide semble être proportionnelle à la surface créée. Lors de la fracture rapide sous vide, nous avons établi que 1.7 × 10−3 % de l'énergie de fracture est convertie en lumière contre au minimum 3 × 10−3 % a` pression ambiante. Cette différence montre une nouvelle fois l'importance de l'environnement et offre des pistes pour l'identification du mécanisme d'émission lumineuse / Materials such as ice, quartz, MgO or the Wint-o-green candy from Lifesavers are known to emit light during their fracture. This phenomenon, called fractoluminescence, shows that fracture is a much more complex process than the simple creation of surfaces. Do the light emissions allow to analyze material failure as the acoustic emissions ? An experimental setup is born out of the union between fracture mechanics and particle physics. It enables to study the light and acoustic emissions during fracture of inorganic scintillators — materials generally used as particle detectors. CdWO4, ZnWO4 and BGO have been tested. We demonstrated that CdWO4 and ZnWO4 emit light during their fracture at ambient pressure. More intensive tests were performed on BGO. Light emissions were studied for slow and fast crack propagation, at ambient pressure and under vacuum (10−5 mbar). In all cases, light emissions have been observed but they strongly depend on the environment and on the loading conditions. During slow crack propagation in vacuum, the light emission seems to be globally correlated in time to the crack propagation and to the acoustic emissions, which are often used in fracture mechanics as indicators of mechanical failure. The extreme time resolution of the light channel, down to the nanoseconds, shows clusters of photons during fracture, at time scales unreachable by usual acoustic methods. The experimental setup also allows to quantify the amount of light energy emitted. Light energy during slow fracture in vacuum seems to be proportional to the surface created by the crack propagation. During fast fracture in vacuum, 1.7 × 10−3 % of fracture energy is converted into light while at least 3 × 10−3 % at ambient pressure. This difference demonstrates, once again, how important the environment is, and offers leads for identifying mechanisms of light emission

Les polymères semi-conducteurs semicristallins sont utilisés au sein de diodes électroluminescentes, transistors ou dispositifs photovoltaïques organiques. Ces matériaux peuvent être traités à partir de solutions ou directement à partir de leur état solide et forment des agrégats moléculaires dont la morphologie dicte en grande partie leurs propriétés optoélectroniques. Le poly(3-hexylthiophène) est un des polymères semi-conducteurs les plus étudiés. Lorsque le poids moléculaire (Mw) des chaînes est inférieur à 50 kg/mol, la microstructure est polycristalline et composée de chaînes formant des empilements-π. Lorsque Mw>50 kg/mol, la morphologie est semicristalline et composée de domaines cristallins imbriquées dans une matrice de chaînes amorphes. À partir de techniques de spectroscopie en continu et ultrarapide et appuyé de modèles théoriques, nous démontrons que la cohérence spatiale des excitons dans ce matériau est légèrement anisotrope et dépend de Mw. Ceci nous permet d’approfondir la compréhension de la relation intime entre le couplage inter et intramoléculaire sur la forme spectrale en absorption et photoluminescence. De plus, nous démontrons que les excitations photogénérées directement aux interfaces entre les domaines cristallins et les régions amorphes génèrent des paires de polarons liés qui se recombinent par effet tunnel sur des échelles de temps supérieures à 10ns. Le taux de photoluminescence à long temps de vie provenant de ces paires de charges dépend aussi de Mw et varie entre ∼10% et ∼40% pour les faibles et hauts poids moléculaires respectivement. Nous fournissons un modèle permettant d’expliquer le processus de photogénération des paires de polarons et nous élucidons le rôle de la microstructure sur la dynamique de séparation et recombinaison de ces espèces. / Microstructure plays a crucial role in defining the optoelectrical properties of conjugated polymeric semiconductors which can be used in light harvesting and generating devices such as organic light emitting diodes, field effect transistors or photovoltaic devices. These polymers can be processed from solution or solidstate and form photophysical aggregates, consequently providing a complex network which controls the fate of any photogenerated species. poly(3-hexylthiopene) is one of the most studied polymeric semiconductor. In this material, the molecular weight (Mw) of the polymer governs the microstructure and highly impact the optical and electronic properties. Below Mw≈ 50 kg/mol, the polymer chains forms polycrystalline domains of π-stacked molecules while high Mw (>50 kg/mol) consists of a two-phase morphology of molecularly ordered crystallites that are embedded in amorphous regions. Such morphology provides a bidimensionnal network hosting both neutral excitations, known as Frenkel excitons, and polarons. By means of steady-state and ultrafast spectroscopy experiment and backed up theoretical modeling, we demonstrate that the spatial coherence of such excitations are anisotropic in the lattice and depends on the Mw of the polymer, providing a deep understanding of the interplay between interchain (excitonic) and intrachain coupling in polymer aggregates. Moreover, we show that direct excitation at the interface between molecularly ordered and amorphous regions generates tightlybound charge pairs which decay via quantum tunneling over >10 ns. The yield of delayed photoluminescence arising from the recombination of those charge pairs varies between ∼10% and ∼40% for low and high Mw films respectively. We provide a quantitative model that describes the photogeneration process of those geminate polaron pairs and determine the role of the microstructure in the charge separation and recombination processes.

Lorsqu'un solide est en contact avec un liquide, des phénomènes physico-chimiques conduisent à polariser l'interface. Deux zones de charge, de signe opposé, apparaissent à cette interface, une dans le solide et l'autre dans le liquide, formant ainsi la double couche électrique (DCE). Par rapport à la littérature existante, l’originalité de ce travail est de s’intéresser à la DCE à l’interface acier inoxydable 304L /film passif d’oxyde/ solution de NaCl (0.01M) en couplant des caractérisations électrochimiques, électriques et physiques. Une méthodologie de caractérisation par voie électrochimique en utilisant les méthodes de spectroscopie d’impédance (SIE) et de voltammétrie cyclique (CV) a été mise au point pour accéder à deux paramètres: la capacité effective et la densité surfacique de charge. Des modifications de la concentration de l'électrolyte, du potentiel appliqué et de l'état de surface ont ensuite été réalisées : la capacité effective de la DCE dépend principalement de la concentration et du potentiel et la densité surfacique de charge croît avec la concentration. Dans la gamme étudiée, la rugosité a une faible influence sur la capacité effective mesurée. Des analyses physico-chimiques de la surface ont permis de caractériser les films passifs formés sur l'acier, sans révéler de différences significatives entre les surfaces avant et après immersion. Un autre paramètre caractéristique de la DCE, la densité volumique de charge à la paroi, a été aussi déterminé par la méthode d'électrisation par écoulement du liquide. Les 3 méthodes de caractérisation (SIE, CV et électrisation) confirment l'influence de la concentration sur les caractéristiques de la DCE. / When a metal is immersed in an electrolyte, a charge distribution is created at the interface and a potential is set up across the two phases. The separation between charges give rise to what are known as electric double layers (EDL). Compared to the usual solid/liquid interfaces investigated in the literature, this study is dedicated to the EDL at the stainless steel 304L / passive film / NaCl (0.01M) interface by combining electrochemical, electrical and physical methods. First, a methodology has been set up to characterise the EDL by the electrochemical methods: Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV). Both the effective capacity and the surface charge density were evaluated. Then, several parameters were investigated such as the electrolyte concentration, the applied potential and the influence on the EDL of the surface preparation. The results showed that the double layer capacitance depends mainly on the concentration of the electrolyte and on the applied potential. The roughness seems to have a poor influence on the measured capacitance. Various physico-chemical analysis were performed in order to characterise the passive films formed at the surface: no significant difference could have been evidence between the surfaces before and after immersion. Finally, the volume charge density was also determined by the liquid flow electrification measurement. Whatever the characterization techniques used (EIS, CV or flow electrification), the same trend was observed with regard to the influence of the concentration on the characteristics of the EDL.