L’arséniure de gallium épitaxié à basse température (GaAs-BT) présente des propriétés d’intérêt pour l’opto-électronique. Ses propriétés sont liées à la présence de défauts ponctuels à l’origine des temps de vie compatibles avec son utilisation en tant que couche active dans des photo-commutateurs. Pour mieux connaître l’origine physique du temps de vie afin de l’optimiser, ce travail de thèse a consisté à mener une étude du matériau en combinant des analyses macroscopiques avec une caractérisation microscopique. Il comporte cinq chapitres, le premier présente un état des connaissances sur le GaAs-BT, le second décrit les techniques utilisées lors de de cette étude. Le troisième chapitre s’intéresse à la composition chimique de la couche de GaAs-BT et à sa caractérisation structurale par diffractométrie des rayons X. Il révèle la croissance de composés quaternaires dilués en P et en In et suggère la présence d’antisites d’éléments V. La présence de phosphore pose la question de la nature chimique de ces antisites. Le chapitre suivant vise à identifier les défauts ponctuels incorporés dans le matériau grâce à une étude STM à basse température. La majorité des défauts se distingue des antisites observés dans la littérature par un état de charge négatif et un aspect changeant au passage de la pointe, une analyse des conditions d’imagerie en fonction de la température confrontée à des calculs ab-initio indique la formation préférentielle d’antisites d’arsenic par rapport à celle d’antisites de phosphore. Le dernier chapitre est consacré à la caractérisation du matériau après recuit. Il démontre que les antisites ne précipitent pas pour une température de croissance de 325°C. / Low temperature grown gallium arsenide (LTG-GaAs) has shown interesting properties for optoelectronics. These properties are related to point defects within the material wich permits carrier lifetimes compatible with its use as an active layers in photoswitches. In order to improve the current knowledge on the physical origin of carrier lifetime to optimise it, this thesis work consisted in leading a thorough study of the material by combining macroscopic analysis with microscopic characterization. It consists of five chapters, the first one presents a state of the art on LTG-GaAs while the second describes the different techniques used during this study. The third chapter focuses on the chemical composition of the LTG-layer and on its structural characterization through X-ray diffraction. It reveals the growth of diluted quaternary compound containing P and In and suggests the presence of element V antisites. Thus, the presence of phosphorus require to determin the chemical nature of these antisites. The next chapter aims to identify the incorporated point defects within the material through low temperature STM study. The majority of defects differs from observed antisites in the litterature with a negative charge state and a changing appearance while scanning, analysis of imaging conditions versus the temperature confronted with ab-initio calculation shows the preferential formation of arsenic antisites compared to the formation of phosphorus antisites. The last chapter is dedicated to characterizing the material after annealing. It demonstrates that antisites do not cluster for a growth temperature of 325°C.

Le travail effectué durant ces trois années porte sur l'étude des propriétés optiques des composés à transition d'état de spin. Plus précisément, nous avons caractérisé la transition photo-induite de ce type de composé. Pour réaliser ces études, nous avons développé au laboratoire des montages basés sur la technique pompe-sonde résolue en temps. Un premier montage avec une pompe impulsionnelle et une sonde continue nous a permis de réaliser des études sur la relaxation et l'effet LIESST au sein de la boucle d'hystérésis thermique. De plus, nous avons observé des effets de seuil pour la transition photo-induite. Un second montage où pompe et sonde sont impulsionnelles a été développé durant cette thèse. Il permet une étude globale de la cinétique photo-induite : photo-excitation et relaxation. En effet, l'accordabilité du délai pompe-sonde en cours d'expérience permet d'étudier des processus dont les temps caractéristiques diffèrent de plusieurs ordres de grandeur. Nous avons alors caractérisé la cinétique de la transition photo-induite de composé du Fe(II), montrant ainsi qu'un processus thermique est à l'origine de la transition et amorce un processus de type " nucléation/croissance ". De plus, ces études ont été faites pour des poudres composées de particules dont la taille a été réduite. Par ailleurs, nous avons étudié les propriétés optiques de nanoparticules synthétisées sous forme de micelles. Nous avons déterminé les parties réelle et imaginaire de leur indice de réfraction et caractérisé la transition d'état de spin thermique.

L’atomisation assistée est un procédé de formation d’un spray de gouttelettes issu d’une nappe liquide sous l’action d’un courant gazeux à forte vitesse dans un injecteur. Ce procédé est très utilisé dans de nombreuses applications industrielles. Nous étudions la succession d’instabilités hydrodynamiques qui génère les gouttes du spray à l’aide d’une méthode LIF pour mesurer la fréquence des vagues et d’une sonde optique pour la granulométrie des gouttes. Nous validons expérimentalement un nouveau modèle de stabilité linéaire inviscide pour l’instabilité de cisaillement, intégrant un profil de vitesse avec déficit à l’injection. Des simulations numériques et un modèle spatio-temporel de stabilité linéaire sont utilisés pour mettre en avant de nouveaux mécanismes de déstabilisation, de croissance des vagues et de création de gouttes. Les lois d’échelles connues prédictives du diamètre moyen des gouttes en fonction du Weber gaz sont testées pour de nouvelles variables d’étude. / Assisted atomization is a process used to form a spray of droplets. A slow liquid phase is strippedby the action of a strong gas current in order to generate the spray. This process is used in manyindustrial applications. We study the succession of hydrodynamic instabilities generating dropletsby means of a LIF method to measure the frequency and growthrate of waves, and with an opticalprobe to measure drop size and velocity. We validate experimentally a model including an interfacialvelocity deficit in the inviscid stability analysis. Experiments are compared to numerical simulationsand spatiotemporal stability analysis results : the confrontation of these three approaches is used tobring forward new mechanisms of destabilization, growth of waves and creation of drops. We assessthe influence of liquid thickness and dynamic pressure ratio on the dependency of the mean dropletdiameter with the Weber number.

L'objectif a été d'étudier le procédé de cristallisation en émulsion d'un ingrédient cosmétique hydrophobe (EGDS) dispersé en phase aqueuse. La première étape consiste à émulsifier à chaud l'EGDS en présence d'un émulsifiant afin d'obtenir une émulsion stable huile dans eau. La cristallisation par refroidissement de l'émulsion est la seconde étape. Deux sondes optiques ont été mises au point pour permettre le suivi vidéo in situ en temps réel du procédé. A partir des séquences vidéo, la mesure de la distribution en taille des gouttes (DTG) a été faite automatiquement, celles des particules par un opérateur. La croissance des cristaux dans les gouttes a été observée au moyen d'une platine thermostatée sous microscope. Par son action sur le mécanisme de brisure la puissance spécifique d'agitation est le paramètre de premier ordre sur la DTG. La concentration en émulsifiant a un impact de second ordre sur la DTG (coalescence et stabilisation). L'emploi d'une hélice à pales minces au lieu d'une turbine Rushton est préférable (DTG étroite et polyvalence du mobile). La mesure in situ a permis de déterminer que le temps d'obtention d'une DTG stable est 3 à 4 fois supérieur aux données de la littérature. La cristallisation des gouttes est progressive, des plus grosses aux plus petites. Une goutte donne naissance à une particule dans les conditions expérimentales choisies. La fréquence de nucléation primaire a été calculée à partir de l'évolution temporelle des DTG, en supposant un mécanisme mononucléaire dans chaque goutte. Le mécanisme est hétérogène. La localisation de la nucléation primaire dans le volume de la goutte ou à sa surface interne n'a pas été possible

Les colonnes à bulles sont largement utilisées dans les domaines du génie chimique et biologique, grâce à leur configuration simple, exempte de toute partie mobile. Néanmoins, leur extrapolation aux échelles industrielles engendre des modifications de l’hydrodynamique globale (vitesse du liquide, taille des bulles) qui sont encore difficile à prédire avec les outils numériques disponibles.La thèse a pour objectif d’établir une base de données sur l’évolution radiale et axiale de l’hydrodynamique locale (taux de vide, taille de bulles, vitesse liquide), dans différentes tailles de colonnes allant de 0.15 à 3 m de diamètre, pour des vitesses superficielles gaz comprises entre 3 et 35 cm/s, générant des taux de vide atteignant les 35%. Les mesures de taux de vide local, de vitesse de bulles et de la taille verticale des bulles sont réalisées à l’aide d’une sonde optique 1C. De plus, une nouvelle méthode pour mesurer la taille horizontale des bulles à fort taux de vide et en écoulement fortement multidirectionnel est proposée dans cette thèse. Cette méthode est basée sur la corrélation croisée spatiale de signaux provenant de deux sondes optiques placées parallèlement à la même élévation, et à une distance l’une de l’autre devant nécessairement être plus faibles que les bulles les plus petites présentes dans l’écoulement. Les mesures de taille de bulles sont validées en les comparant à un traitement d’images par endoscopie. Pour des vitesses superficielles de gaz supérieures à 9 cm/s, un bon accord est trouvé entre les trois méthodes (sonde optique 1C, corrélation croisée et endoscopie). La taille des bulles augmente légèrement lorsque la vitesse superficielle gaz augmente, par contre elle n’est pas impactée de manière significative par le diamètre des colonnes. Une plus grande ségrégation radiale est tout de même visible dans les plus grandes colonnes testées.Un modèle 1D radial développé pour un écoulement invariant le long de l’axe de la colonne est utilisé pour tester différents formalismes de forces de trainée, utilisant les données expérimentales de taille moyenne de bulles. Les simulations montrent que pour prédire correctement le flux gazeux expérimental, il est nécessaire d’introduire un « swarm factor » (Simonnet et al, 2008) diminuant le coefficient de trainée à fort taux de vide. De plus, des simulations 3D URANS avec Fluent® sont réalisées avec la loi de trainée validée par le modèle 1D précédemment cité. Un bon accord est observé entre les valeurs expérimentales et simulées des profils radiaux de taux de vide et de vitesse liquide, pour des diamètres de colonne allant de 0.4 m à 3 m, et pour des vitesses superficielle gaz de 3 à 35 cm/s. / Bubble columns reactors are widely used in chemical and biological engineering due to its simple configuration without mobile parts. However, the scale-up prediction of a bubble columns reactors is still a challenging process, due to the lack reliable experimental data and models.The present work aims to construct detailed database of the radial and axial evolution of local hydrodynamics properties (gas hold-up, bubble size and velocity, liquid velocity) acquired in several bubble columns in a scale factor of 20 (from 0.15 to 3 m in diameter), for a superficial gas velocity from 3 to 35 cm/s, yielding gas hold-ups up to 35 %. Measurements of local gas hold-up, bubble velocity and bubble vertical size are performed by a 1C mono-fiber optical probe. Moreover, a novel method to measure mean horizontal diameter of bubbles at high void fraction and in a multi-directional flow is proposed. This method is based in the spatial-cross correlation of signal of two optical probes placed parallel side by side, at a given distance from each other, at the same elevation in the column. The validation of the bubble size measurements are performed through a comparison of the results with an endoscopic imaging method. For superficial gas velocities higher than 9 cm/s, a good agreement is found between the three methods (1C mono-fiber optical probe, cross-correlation and endoscopic imaging). A slight increase is registered with the increase of the superficial gas velocity, however there is no significant variation with the column diameter.A 1-D radial model of a bubbly flow (Ueyama and Miyauchi, 1979) developed for a invariant flow along the column axis, is used to benchmark several classic formalisms of the drag force, using experimental average bubble size. Results show that to correctly predict the experimental gas flowrate, it is necessary to use a Swarm factor (Simonnet et al, 2008) that reduces the drag coefficient for high gas hold-up values. Moreover, Fluent® 3D URANS simulations are performed using the previously validated drag force formalism. A good agreement is found between experimental and simulated radial profiles of gas holdup and liquid velocity for column diameters ranging from 0.4 m up to 3 m in diameter in a range of superficial gas velocities from 3 cm/s to 35 cm/s.

Sur la table de sortie d’un laminoir à chaud, le refroidissement des bandes d’acier est principalement assuré par des rampes de jets d’eau gravitaires qui vont impacter directement la surface supérieure de la bande en défilement. La température de la bande est initialement entre 800 et 900 °C et on cherche à la refroidir à des températures nettement inférieures mais précises avant son bobinage, cette température allant de la température ambiante à 700 °C suivant les propriétés voulues pour l’acier. Ce refroidissement assuré par les rampes de jets est transitoire et la vitesse de refroidissement est variable suivant la nature du régime de refroidissement. Le point de remouillage est défini par la température à laquelle le régime d’ébullition en film stable se termine et s’accompagne généralement d’une hausse significative des flux de refroidissements. Dans ce travail de thèse, nous avons cherché à caractériser ce point par des mesures d’épaisseur de vapeur effectuées à l’aide de sondes optiques. Les sondes optiques permettent de savoir si leur zone sensible est majoritairement dans le gaz ou le liquide et sont généralement exploitées pour faire des mesures de taux de vide. L’utilisation qui en est faite ici, à savoir une mesure précise de position d’interface, a demandé une calibration expérimentale précise afin de connaitre la position exacte de l’interface sur la zone sensible. Afin de disposer d’un outil fonctionnel, nous avons également cherché à modéliser la réponse des sondes à l’aide d’une méthode de lancer de rayons et en prenant en compte la formation du ménisque sur la pointe. Enfin, cette calibration et ce modèle ont été confrontés à des mesures expérimentales dans le cas du refroidissement d’une zone hémisphérique porté à haute température et donnant lieu à un régime d’ébullition en film stable / On a run out table of a hot rolling mill, the cooling of steel strips is mainly provided by ramps of water jets falling down that will directly impact the upper surface of the strip. The temperature of the strip starts between 800 and 900 °C and it is intended to cool at temperatures much lower than the start but still accurate before its winding, the temperature ranges from ambient temperature to 700 °C depending on the required properties for the steel product. This water-based process ensures a transient cooling at an uneven rate depending on the nature of the boiling regime. The rewetting point is defined by the temperature at which the stable film boiling regime ends. In general, the cooling fluxes show a significant increase at this particular transition. In this thesis, we sought to characterize rewetting by vapor thickness measurements and analysis using optical probes. The optical sensors inform us whether their sensitive area is mainly in the gas or in the liquid and are generally used to make void fraction measurements. The use that is made here, namely a precise measurement of the position of the interface, required a precise experimental calibration in order to know the exact position of the interface on the sensitive area. In order to have a working tool, we also modeled the response of the probes by using a ray tracing method and taking into account the formation of the meniscus on the tipoff the probe. Finally, the calibration and model were compared with experimental measurements in the case of the cooling of a hemispherical area initially at high temperature that provides a stable film boiling regime when it is partially immersed

La vaporisation explosive, ou flashing, par dépressurisation rapide du C6F14 au travers d'une vanne à boisseau sphérique est analysée expérimentalement sur une grande plage de surchauffe. Les visualisations rapides montrent un jet s'ouvrant très largement en aval, preuve de l'existence d'un fort gradient de pression. Des mesures locales par sonde optique et par vélocimétrie phase Doppler ont permis de caractériser tailles, vitesses, concentration et flux numérique des gouttes en fonction de la surchauffe. La faible influence du degré de surchauffe sur la remontée en pression et sur les tailles et flux de gouttes suggère que le champ de pression s'adapte, et que par conséquent le liquide est soumis à une surchauffe locale bien plus faible que la surchauffe globale imposée. Différents scenarii sont discutés pour expliquer les observations, dont le fait que les tailles de gouttes sont peu sensibles à la surchauffe. Celui basé sur l'existence d'un front d'ébullition est le plus probable.

Dans l'objectif de maîtriser le démarrage des moteurs fusées en vol balistique, il est proposé de caractériser le transitoire de remplissage des cavités d'injection des organes de combustion. L'étude s'effectue principalement sur la cavité tampon, appelée dôme. Le comburant est maintenu sous pression en amont d'une vanne dont l'ouverture contrôle son passage vers une chambre tampon qui est liée à la chambre de combustion à travers un réseau d'injecteurs. Afin d'empêcher la remontée du carburant vers la chambre tampon, un gaz balaye la chambre de l'entrée vers les injecteurs. Cette étude expérimentale consiste à décrire la structure spatio-temporelle de l'écoulement diphasique dans la cavité tampon suite à l'ouverture de la vanne en présence de l'écoulement du gaz de balayage. Il s'agit de suivre l'évolution de l'écoulement sur des temps courts (quelques centaine ms) par un ensemble de mesures (débits, pressions, distribution spatiale des phases, suivi de l'interface) sans ou avec transfert thermique aux parois de la cavité. Des fluides de substitutions sont utilisés. Pour la partie expérimentale sans transfert thermique, de l'eau et de l'air sont utilisés à la place du comburant et du gaz inerte et pour la partie non isotherme du "x" (fluorocarbone) et un gaz "y" ont été choisis. Dans le premier cas, les expériences isothermes ont mis en évidence le comportement typique des grandeurs comme la pression dans la cavité et le débit de liquide entrant ainsi que la distribution des phases en sortie d'injection, tandis qu'une analyse des résultats a montré l'importance des différentes échelles de temps qui interviennent pendant le remplissage: temps d'ouverture de la vanne, temps de recouvrement des injecteurs par le liquide et les temps de remplissage et de vidange de la cavité tampon. Dans le deuxième cas, les parois sont chauffées au-dessus de la valeur d'ébullition du liquide, pour la gamme de pression envisagée dans le dôme. Le but est de quantifier les effets d'un possible changement de phase aux parois et d'évaluer leur importance sur l'écoulement. De plus, les conséquences dues à l'échauffement du gaz de balayage constituent une partie significative du programme expérimental. Le gaz est chauffé indépendamment des parois. Un modèle théorique traitant des différents régimes d'écoulements pendant le transitoire de remplissage permet de reproduire le comportement des pressions, débit liquide et fraction volumique de gaz dans la cavité. L'ensemble de ces mesures permettent de comprendre le transitoire de remplissage de la cavité d'injection dôme et l'analyse théorique qui accompagne ces expériences doit permettre l'extrapolation des résultats obtenus en laboratoire aux conditions réelles (fluides cryogéniques sous microgravité). Elle doit aussi fournir les conditions aux limites requises pour les approches numériques développées par ailleurs ainsi que les bases de données permettant de tester ces simulations. / In order to control the ignition of rocket motors during ballistic flight, the transient flow of comburant into a reservoir or buffer cavity (dôme) and then through a grid of injectors must be carefully characterised. The liquid oxygen is held under pressure upstream of a valve which opens into the dome. The valve opening is a control parameter. To avoid any possible flow of carburant from combustion chamber back into reservoir, the latter is swept with an inert gas, thus ensuring that the pressure in the reservoir remains higher than in the combustion chamber. This experimental study has the aim of characterising the spatio-temporal structure of two-phase flow into the dome following opening of principal liquid valve. Filling the dome and forcing the liquid through the injectors has an overall time scale of some hundred milliseconds. High resolution measurements of liquid and gas flow rates, pressure, phase distribution, interface velocity and temperatures are recorded for different values of the key parameters as well as visualisations. For the experimental program with heat transfer, the comburant was replaced with "x". Much work was carried out on the effects of heat transfer from either the gas or the walls or both to the liquid entering the dome once these were above the liquid boiling point. Previous studies in the LEGI using water and air, and without heat transfer brought to light the important variations in dome pressure and liquid flow rate during the transient, while analysis of results indicated the importance of a number of time scales : value opening time, time for the liquid to cover the injectors, time to fill the dome, time to empty it. For the heat transfer experiments, the walls are heated for the pressure range chosen. The sweep gas is heated too. The aim of these experiments is to seek evidence of a phase-change at the walls or during interaction with the gas and to evaluate its importance. To carry out these experiments, specific instrumentation was used. The whole of these mesures enable us to understand the transient filling of the injection cavity. Thus, theoretical analysis have to allow extrapolations of results obteined in laboratory to real cases (cryogenic liquid under microgravity). Then, we have to give a data base to developp and validate numerical simulation.

L’objectif a été d’étudier le procédé de cristallisation en émulsion d’un ingrédient cosmétique hydrophobe (EGDS) dispersé en phase aqueuse. La première étape consiste à émulsifier à chaud l’EGDS en présence d’un émulsifiant afin d’obtenir une émulsion stable huile dans eau. La cristallisation par refroidissement de l’émulsion est la seconde étape. Deux sondes optiques ont été mises au point pour permettre le suivi vidéo in situ en temps réel du procédé. A partir des séquences vidéo, la mesure de la distribution en taille des gouttes (DTG) a été faite automatiquement, celles des particules par un opérateur. La croissance des cristaux dans les gouttes a été observée au moyen d’une platine thermostatée sous microscope. Par son action sur le mécanisme de brisure la puissance spécifique d’agitation est le paramètre de premier ordre sur la DTG. La concentration en émulsifiant a un impact de second ordre sur la DTG (coalescence et stabilisation). L’emploi d’une hélice à pales minces au lieu d’une turbine Rushton est préférable (DTG étroite et polyvalence du mobile). La mesure in situ a permis de déterminer que le temps d’obtention d’une DTG stable est 3 à 4 fois supérieur aux données de la littérature. La cristallisation des gouttes est progressive, des plus grosses aux plus petites. Une goutte donne naissance à une particule dans les conditions expérimentales choisies. La fréquence de nucléation primaire a été calculée à partir de l’évolution temporelle des DTG, en supposant un mécanisme mononucléaire dans chaque goutte. Le mécanisme est hétérogène. La localisation de la nucléation primaire dans le volume de la goutte ou à sa surface interne n’a pas été possible / The aim was to study the crystallization in emulsion process of a hydrophobic cosmetic ingredient (EGDS). The emulsification of the molten EGDS in a continuous phase with the use of an emulsifier in order to obtain a stable droplet size distribution (DSD) is the first stage. The crystallization upon cooling is the second stage. Two optical probes were developed to allow the in situ video monitoring of each stage of the process in real time. From the video sequences recorded the measurement of the DSD was carried out automatically, and by an operator for the PSD. The growth of crystals in motionless droplets was observed under microscope thanks to a thermostated well. The specific power input of stirring was the main parameter acting on the reduction of DSD owing to its action on the droplet break-up mechanism. The surfactant concentration was a parameter of secondary relevance on the DSD (coalescence and stability). The use of a flat blade propeller instead of a Rushton turbine was preferable for the production of a narrower DSD. Finally the time required to reach equilibrium was found higher by a factor of 3-4 than predicted in the literature. It was shown that the droplets crystallized very progressively during cooling, from the biggest to the smallest droplets. With the experimental conditions, one drop gave birth to one particle. The primary nucleation rate was obtained from the analysis of the temporal evolution of the DSD with the hypothesis of a mononuclear mechanism in each droplet. The nature of the mechanism seems to be heterogeneous. Nevertheless its localization in the droplet volume or at the inner interfacial surface was not possible

La vaporisation explosive, ou flashing, par dépressurisation rapide du C6F14 au travers d'une vanne à boisseau sphérique est analysée expérimentalement sur une grande plage de surchauffe. Les visualisations rapides montrent un jet s’ouvrant très largement en aval, preuve de l'existence d'un fort gradient de pression. Des mesures locales par sonde optique et par vélocimétrie phase Doppler ont permis de caractériser tailles, vitesses, concentration et flux numérique des gouttes en fonction de la surchauffe. La faible influence du degré de surchauffe sur la remontée en pression et sur les tailles et flux de gouttes suggère que le champ de pression s’adapte, et que par conséquent le liquide est soumis à une surchauffe locale bien plus faible que la surchauffe globale imposée. Différents scenarii sont discutés pour expliquer les observations, dont le fait que les tailles de gouttes sont peu sensibles à la surchauffe. Celui basé sur l’existence d’un front d’ébullition est le plus probable. / Depressurization (flashing) experiments through a ball valve were conducted with C6F14 for a large range of superheat. High-speed imaging shows a rapid and wide expansion of the jet, which evidences strong pressure gradients. Local measurements with phase detection optical probes and phase Doppler velocimetry were used to characterize size, speed, concentration and volumetric flux of drops as a function of superheat. The level of superheat has little influence on the vaporized fraction and on drop size and flux: this suggests that due to strong pressure gradients the liquid sees a much weaker level of superheat than the global superheat imposed on the system. Different scenarii are discussed to explain observations, in particular the fact that drop size remains approximately constant independent of the superheat. A scenario based on the existence of a boiling front seems to be the most consistent.