A l’heure où les impacts du changement climatique sont devenus indéniables, le développement des énergies décarbonées s’impose. Potentiellement bas coût comparées aux technologies établies, les technologies organiques émergentes offrent une alternative éco-efficiente pour l’exploitation de l’énergie solaire et de l’énergie thermique (< 473 K). Dans le premier chapitre, les avantages et inconvénients des différentes technologies actuellement développées sont discutés. Les dispositifs photovoltaïques, tout comme thermoélectriques, requièrent deux types de matériaux conduisant respectivement les trous (type p) et les électrons (type n). Malgré des avancées remarquables, le développement de semi-conducteurs de type n constitue un levier d’amélioration majeur pour les technologies organiques. Dans ce contexte, ce travail doctoral présente la conception, la synthèse, la caractérisation et la mise en œuvre au sein de dispositifs, de polymères et petites molécules pi-conjugués de type n.Basées sur trois unités électro acceptrices – l’isoindigo (ISI), le naphtalène diimide (NDI) et le benzodifurandione-oligo(p-phénylènevinylène) fluoré (FBDOPV) – la conception et la synthèse de copolymères alternés sont présentées dans le deuxième chapitre. Ces polymères démontrent de hautes affinités électroniques comprises entre 3,5 eV et 4,1 eV. Les études de modélisations DFT et de diffraction de rayons X en couches minces ont permis d’identifier les principaux facteurs structuraux à l’origine des hautes mobilités en électron obtenues en transistor organique à effet de champ allant jusqu’à 0,26 cm2.V-1.s-1.Pour une application thermoélectrique, le dopage moléculaire de ces semi conducteurs organiques est requis et fait l’objet du troisième chapitre. Les conditions nécessaires à la thermo- et photo activation du dopant N-DMBI ont été identifiées. En particulier, la dégradation du dopant activé en présence d’oxygène a été mise en évidence par diffraction de rayons X sur monocristaux. Les polymères et deux petites molécules à base d’ISI et NDI ont été dopés avec succès. Les mécanismes de dopage et les conductivités obtenues sont discutés au cas par cas à l’aide d’expériences spectroscopiques UV Visible-Proche-Infrarouge et Résonance Paramagnétique Electronique. Des conductivités de l’ordre de 10-4 S.cm-1 sont obtenues sans apport énergétique ni avant ni après dépôt. Des conductivités encourageantes de l’ordre de 10-3 S.cm-1 pour une petit molécule à base de NDI et de 10-2 S.cm-1 pour un polymère à base de FBDOPV ont été atteintes. La stabilité et la réversibilité des conductivités des couches minces exposées à l’air ont été examinées et corrélées au niveau LUMO des matériaux. Le contrôle minutieux des conditions de dépôts et de dopage ont permis l’obtention d’un facteur de puissance de l’ordre de 0,3 µW.m 1.K-2 associé à une conductivité thermique de 0,53 W.m-1.K-1. Des figures de mérite d’environ 2.10-4 à 303 K et 5.10-4 à 388 K ont été mesurées, lesquelles représentent les premières valeurs reportées à ce jour pour un semi-conducteur organique dopé n sur un même dispositif.Ces matériaux permettent également le remplacement des dérivés fullerènes en dispositif photovoltaïque comme présenté dans le dernier chapitre. Ils démontrent notamment de forte propriétés d’absorption, étendue jusqu’au domaine proche infrarouge pour l’un des polymères. Un rendement de conversion de 1,3% a été obtenu en cellule solaire à hétérojonction en volume « tout-polymère » avant optimisation. Suivant une conception moléculaire de type donneur-espaceur-accepteur, deux dérivés d’ITIC ont été conçus et caractérisées. La modification de substituants alkyles sur l’espaceur permet d’obtenir des propriétés d’absorptions et d’organisations améliorées comparé à ITIC. De hautes tensions de circuit-ouvert allant jusqu’à 1,10 V et des rendements de 4,2% ont été obtenus avec ces accepteurs non-fullerènes. / At a time when the impacts of climate change have become undeniable, the development of low-carbon energies is crucial. Potentially low cost compared to established technologies, emerging organic technologies offer an eco-efficient alternative for harvesting solar and thermal (< 473 K) energies. In the first chapter, the advantages and drawbacks of the different technologies currently being developed are discussed. Photovoltaic devices, like thermoelectric devices, require two types of materials conducting holes (p type) and electrons (n-type) respectively. Despite remarkable advances, the development of n-type semiconductors represents a major lever for improving organic technologies. In this context, this doctoral work presents the design, synthesis, characterization and device developments of innovative pi-conjugated n-type polymers and small molecules.Based on three electron-accepting units – isoindigo (ISI), naphthalene diimide (NDI) and fluorinated benzodifurandione-oligo(p-phenylenevinylene) (FBDOPV) – the design and synthesis of alternated copolymers are presented in the second chapter. These polymers exhibit high electron affinities ranging from 3.5 eV to 4.1 eV. DFT modelling and thin-film X-ray diffraction studies allowed to identify the main structural aspects leading to electron mobility as high as 0.26 cm2.V 1.s 1 achieved in organic field effect transistors.For thermoelectricity, molecular doping of these organic semiconductors is required. It is the subject of the third chapter. The necessary conditions for thermo- and photo-activation of N DMBI dopant have been identified. In particular, the degradation of the activated dopant in the presence of oxygen has been demonstrated by single crystal X-ray diffraction. Each polymer and two small molecules based on ISI and NDI cores have successfully being doped. The doping mechanisms and conductivities obtained are discussed on a case by case basis using UV-Visible-Near-Infrared and Electron Paramagnetic Resonance spectroscopies. In particular, conductivities in the range of 10-4 S.cm-1 were obtained without external energy supply neither before nor after deposition. Encouraging conductivities in the range of 10-3 S.cm 1 for a small molecule based on NDI and 10-2 S.cm 1 for a polymer based on FBDOPV have been achieved. The stability and reversibility of thin film conductivities when exposed to air were investigated and correlated to the LUMO level of the materials. The thorough control of deposition and doping conditions have afforded to achieve a power factor of about 0.3 µW.m-1.K-2 associated to a thermal conductivity of 0.53 W.m 1.K 1. Figure of merits of approximately 2.10-4 at 303 K and 5.10-4 at 388 K have been obtained, which represent the first values reported to date for an n-doped organic semiconductor measured on a single device.These materials also allow the replacement of fullerene derivatives in photovoltaic devices as presented in the last chapter. In particular, they demonstrate strong absorption properties, extended to the near infrared domain for one of the polymers. A conversion efficiency of 1.3% was obtained in all polymer bulk-heterojunction solar cell before optimization. Following the donor-spacer-acceptor approach, two ITIC derivatives have been designed and characterized. The modification of alkyl substituents on the spacer provides improved absorption and molecular packing properties compared to ITIC. High open-circuit voltages up to 1.10 V and conversion efficiencies of 4.2% have been achieved with these non-fullerene acceptors.

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L'alliage Si-Ge est utilisé depuis de nombreuses années dans les modules thermoélectriques dans les sondes spatiales de la NASA. Ils convertissent la chaleur résultant de la désintégration radioactive de matériaux riches en un ou plusieurs radio-isotopes en électricité. Cet alliage est performant à haute température (à partir de 700 °C), c'est pourquoi il trouve également un fort intérêt dans l'industrie automobile. De nombreuses recherches dans ce secteur s'orientent vers la thermoélectricité, notamment vers des modules fonctionnant à haute température pour permettre la réduction de consommation de carburant.La meilleure composition de l'alliage en thermoélectricité est Si0,8Ge0,2. Le facteur de mérite réduit (ZT) de ces matériaux est généralement proche de 0,75 et de 0,45 à 700 °C pour les types n et p respectivement. Le germanium étant très onéreux, la composition retenue dans cette étude est Si0,92Ge0,08. Pour améliorer les performances de la composition choisie et se rapprocher de celles de la meilleure composition, la voie retenue est l'incorporation de nanoinclusions à base de siliciures de molybdène dans le matériau, permettant la diminution de la conductivité thermique.L'alliage Si-Ge est synthétisé par mécanosynthèse, et densifié par SPS. Les dopants utilisés sont le phosphore et le bore pour les types n et p respectivement. Le taux de dopage optimal est de 0,7 %. Ainsi, les ZT obtenus à 700 °C sont égaux à 0,7 et 0,5 pour les types n et p respectivement. La nature des inclusions stables dans la matrice est déterminée par la méthode CalPhad qui permet l'obtention du diagramme ternaire Mo-Si-Ge. La phase MoSi2 apparait alors comme étant la seule phase stable dans la matrice Si0,92Ge0,08. La fraction volumique optimale de molybdène est de 1,3 % lorsque les matériaux sont densifiés à 1280 °C. Le ZT obtenu est supérieur à 1 à 700 °C pour le type n, et proche de 0,8 pour le type p. L'ajout de nanoinclusions a permis d'augmenter les performances de 43 % et de 60 % à 700 °C. / Si-Ge alloys has been used for many years in the thermoelectric modules in the NASA space probes in which they convert heat produced by the radioactive decay of a heat source into electricity. This alloy is effective at high temperature (from 700 °C), so it is also a strong interest in the automotive industry. The strong incentive in this area to reduce fuel consumption leads researchers to develop thermoelectric modules that can operate at high temperatures. The composition at which SiGe alloys are the most thermoelectrically efficient is Si0.8Ge0.2. Their figure of merit (ZT) is generally close to 0.75 and 0.45 at 700 °C for type n and p respectively. As Germanium is very expensive, this study aims to develop a Si0.92Ge0.08 alloy that can compare to the existing Si0.8Ge0.2 alloys. To get to a higher level of performance, the thermal conductivity of the chosen composition has to be decreased, which is done by incorporating molybdenum silicides in the Si0.92Ge0.08 alloys.The Si-Ge alloy was synthesized by mechanical alloying, and sintered by SPS. The dopants used are phosphorous and boron for the n and p types respectively. The optimal doping level is 0.7%. ZT obtained for Si0.92Ge0.08 base alloys at 700 °C are equal to 0.7 and 0.5 for n and p types respectively. The nature of stable inclusions in the matrix has been determined by the CALPHAD method to obtain the ternary diagram Mo-Si-Ge. Then, the MoSi2 phase appears to be the only stable phase in the matrix Si0.92Ge0.08. The optimum volume fraction of molybdenum was 1.3% when the materials are sintered at 1280 °C. Therefore, the ZT obtained is higher than 1 at 700 °C for n-type and close to 0.8 for p-type. Adding nanoinclusions has increased performance by 43% (n-type) and 60% (p-type) at 700 °C.

Após a divulgação recente pela Petrobrás, da descoberta de uma grande quantidade de Gás Natural (GN) na bacia de Santos, as políticas de incentivo ao seu consumo e conseqüente aumento de sua participação na matriz energética nacional ganham força. Aliada a isto, a busca crescente da adoção dos conceitos do Desenvolvimento Sustentável (DS) e do Planejamento Integrado de Recursos (PIR) na utilização dos recursos energéticos em favor da sociedade, necessita da implementação de novos métodos de abordagem dos usos destes recursos de forma integrada. Este trabalho tem como objetivo estudar a contribuição do GN no Setor Elétrico. O estudo será feito através de uma análise de cenários de expansão do mercado do gás no estado de São Paulo a partir da previsão indicativa de usinas termelétricas do Plano Decenal de expansão do Setor Elétrico. Para isto, serão estudados os usos do GN diretamente associados à energia elétrica no país: geração termelétrica, cogeração industrial e aquecimento residencial de água para banho. Após a apresentação dos usos e suas tecnologias, será proposta a metodologia para a execução deste estudo. A metodologia será baseada nos aspectos de Consumo de Gás Natural, Custo de Investimento e Emissão de CO2. Será então desenvolvido um estudo de caso aplicado à região central do estado de São Paulo, nas proximidades do Gasoduto Bolívia Brasil (GASBOL), região com alto grau de industrialização e infra-estrutura, e próxima dos principais pontos da malha de Gás Natural existente no país. Os resultados apontam para a importância da integração entre os planejamentos dos setores de GN e EE, dando mais atenção aos usos distribuídos do GN, que possuem maior rendimento e contribuem ainda mais para o Desenvolvimento Sustentável. / After the recent announcement by Petrobrás about the discovery on a large amount of Natural Gas (NG) in the Santos Field, consumption incentive policies and the expectation about its growth on national energy matrix are taking place again. Besides, the growing search towards the Sustainable Development (SD) and Integrated Resource Planning (IRP) concepts on energetic resources utilization at service of society needs new integrated resources utilization approach methods. This dissertation intends to study the contribution of Natural Gas use on Electric Energy Sector. The study is based on a market expansion scenarios analysis applied to the São Paulo NG market starting from the indicative thermoelectric plants planning presented on the Electric Brazilian Sector Expansion Decade Plan. For this, the straightly related to EE uses of NG: thermoelectric generation, industrial cogeneration and residential water heating are being discussed. After the uses and their technology discussion, the methodology for this study execution will be presented. It is based on NG Consumption, Investment Cost and CO2 Emission. It will be then presented a case study applied to the central region of São Paulo State, on the neighbors of Bolivia-Brazil Gas Duct (GASBOL), a region with good industrialization and infrastructure degree, near to the most important points of Brazilian NG mesh. The results show the importance of the integration between NG and EE sectors planning, with special attention to the distributed uses of NG, more efficient and better contributing to the sustainable development.

La miniaturisation des composants, qui s’est engagée depuis l’avènement de l’électronique il y a plus de 50 ans, atteint aujourd’hui la dimension nanométrique, ouvrant la porte aux phénomènes quantiques. Ultime étape de cette miniaturisation, la boîte quantique, dans laquelle les électrons sont confinés dans les trois directions de l’espace, présente des propriétés remarquables, telles que l’augmentation du gap entre la bande de conduction et la bande de valence, ou la discrétisation des niveaux d’énergies. Autre conséquence du confinement, la forte interaction électron-électron régnant au sein de la boîte conduit à une énergie de charge importante, susceptible de bloquer l'entrée d'un électron dans la boîte sans apport d'énergie extérieur. Ce phénomène de blocage des charges est appelé blocage de Coulomb. Le transistor à un électron (SET), dispositif élémentaire tirant profit de ce phénomène, est pressenti pour quelques applications, comme la réalisation de fonctions logiques ou la détection de charge. Parmi les domaines concernés, la thermoélectricité, c’est-à-dire la possibilité de créer du courant électrique à partir d’une différence de température, s’intéresse de près aux dispositifs à un électron en raison de leurs niveaux d’énergie discrets qui conduisent à une très faible conductivité thermique. Ce travail présente le simulateur SENS (Single-Electron Nanodevice Simulation) développé dans l’équipe, et dont j’ai réalisé la partie destinée à la simulation du SET. Il s’appuie sur la résolution des équations couplées de Poisson et Schrödinger, nécessaire à la détermination des fonctions d’onde dans la boîte de silicium, elles-mêmes dépendantes des tensions appliquées aux électrodes. Les fréquences de transition tunnel sont ensuite calculées par la règle d’or de Fermi. L’étude approfondie du courant dans les SET permet d’extraire des diagrammes de stabilité en diamant, et démontre l’importance de paramètres tels que la taille de l’îlot, la dimension des barrières tunnel, la température et le nombre d’électrons occupant la boîte. L’étude du courant électronique et du courant de chaleur en présence d’une différence de température aux électrodes du SET est également faite pour juger de la pertinence de l’utilisation d’un SET en tant que générateur thermoélectrique, mais aussi comme étalon pour déterminer le coefficient Seebeck. Enfin, une étude du bruit de grenaille dans la double-jonction tunnel (SET sans la grille) est faite, démontrant le fort lien entre taux de transfert tunnel et bruit. En particulier, selon l’évolution des taux des transferts tunnel d’entrée et de sortie de l'îlot, pour un nombre d’électrons supérieur 2, il est possible d’observer une augmentation importante du bruit, qui devient alors super-Poissonien. L’étude de l’influence des paramètres géométriques démontre que le bruit de grenaille dépend essentiellement de la différence des épaisseurs de barrière tunnel. / After a continuous reduction which has begun 50 years ago, the feature size of electronic devices has now reached the nanometer scale, opening the door to quantum phenomena. The final stage of this miniaturization, the quantum dot, in which the electrons are confined in all three directions of space, has remarkable properties, such as an increase of the bandgap between the conduction band and the valence band, and the discretization of energy levels. Another consequence of confinement, the strong electron-electron interaction occurring in the dot induces a significant charging energy which may prevent an electron entering the dot if an external energy is not provided to the system. This charge blocking is called Coulomb blockade. The single electron transistor (SET), the elementary device taking advantage of Coulomb blockade, is slated for some applications, such as the realization of digital functions or charge sensors. Among the areas concerned, the thermoelectricity, i.e., the possibility of creating an electrical current from a temperature gradient, is very interested in single-electron devices due to their discrete energy levels which lead to a very low thermal conductivity.This thesis presents the simulator SENS (Single-Electron Nanodevice Simulation) developed in the team and the part I have developed specifically for the simulation of SET. It is based on a 3D solver of Poisson and Schrödinger coupled equations, necessary for the determination of the wave functions in the case of silicon, and dependent on voltages applied to the electrodes. Tunnel transfer rates are then calculated by Fermi's golden rule. In-depth study of the current in the SETs gives access to diamond stability diagrams, and demonstrates the importance of parameters such as dot size, tunnel the barriers thicknesses, the temperature and the number of electrons occupying the dot. The study of the electron current and the heat flow in the presence of a temperature difference at the electrodes of an SET is also made to consider the suitability of the use of an SET as thermoelectric generator, but also as a standard for determining the Seebeck coefficient.Finally, a study of shot noise in double-tunnel junction (SET without the gate) is made, demonstrating the strong link between tunnel transfer rate and shot noise. In particular, according to the evolution of in- and out – tunnel transfer rates, for a number of electrons in the dot greater than 2, it is possible to observe a significant increase in noise, which becomes super-Poissonian. The study of the influence of geometrical parameters shows that the shot noise depends mainly on the difference of the tunnel barrier thicknesses.

Após a divulgação recente pela Petrobrás, da descoberta de uma grande quantidade de Gás Natural (GN) na bacia de Santos, as políticas de incentivo ao seu consumo e conseqüente aumento de sua participação na matriz energética nacional ganham força. Aliada a isto, a busca crescente da adoção dos conceitos do Desenvolvimento Sustentável (DS) e do Planejamento Integrado de Recursos (PIR) na utilização dos recursos energéticos em favor da sociedade, necessita da implementação de novos métodos de abordagem dos usos destes recursos de forma integrada. Este trabalho tem como objetivo estudar a contribuição do GN no Setor Elétrico. O estudo será feito através de uma análise de cenários de expansão do mercado do gás no estado de São Paulo a partir da previsão indicativa de usinas termelétricas do Plano Decenal de expansão do Setor Elétrico. Para isto, serão estudados os usos do GN diretamente associados à energia elétrica no país: geração termelétrica, cogeração industrial e aquecimento residencial de água para banho. Após a apresentação dos usos e suas tecnologias, será proposta a metodologia para a execução deste estudo. A metodologia será baseada nos aspectos de Consumo de Gás Natural, Custo de Investimento e Emissão de CO2. Será então desenvolvido um estudo de caso aplicado à região central do estado de São Paulo, nas proximidades do Gasoduto Bolívia Brasil (GASBOL), região com alto grau de industrialização e infra-estrutura, e próxima dos principais pontos da malha de Gás Natural existente no país. Os resultados apontam para a importância da integração entre os planejamentos dos setores de GN e EE, dando mais atenção aos usos distribuídos do GN, que possuem maior rendimento e contribuem ainda mais para o Desenvolvimento Sustentável. / After the recent announcement by Petrobrás about the discovery on a large amount of Natural Gas (NG) in the Santos Field, consumption incentive policies and the expectation about its growth on national energy matrix are taking place again. Besides, the growing search towards the Sustainable Development (SD) and Integrated Resource Planning (IRP) concepts on energetic resources utilization at service of society needs new integrated resources utilization approach methods. This dissertation intends to study the contribution of Natural Gas use on Electric Energy Sector. The study is based on a market expansion scenarios analysis applied to the São Paulo NG market starting from the indicative thermoelectric plants planning presented on the Electric Brazilian Sector Expansion Decade Plan. For this, the straightly related to EE uses of NG: thermoelectric generation, industrial cogeneration and residential water heating are being discussed. After the uses and their technology discussion, the methodology for this study execution will be presented. It is based on NG Consumption, Investment Cost and CO2 Emission. It will be then presented a case study applied to the central region of São Paulo State, on the neighbors of Bolivia-Brazil Gas Duct (GASBOL), a region with good industrialization and infrastructure degree, near to the most important points of Brazilian NG mesh. The results show the importance of the integration between NG and EE sectors planning, with special attention to the distributed uses of NG, more efficient and better contributing to the sustainable development.

Les générateurs thermoélectriques (TEG), associant des modules thermoélectriques à des échangeurs de chaleur adaptés, permettent de produire de l’électricité à partir d’une source chaude et d’une source froide. Leur utilisation, réservée actuellement à des applications de niche, va s’avérer judicieuse pour différentes applications industrielles ou domestiques en raison de la disponibilité imminente de nouveaux matériaux thermoélectriques permettant des rendements améliorés et des coûts moindres. Pour rendre plus attractive l’utilisation des TEG et améliorer le rendement global des futures installations, une conception et une utilisation optimisées sont indispensables.La conception de TEG performants nécessite le développement de modèles numériques intégrant tous les éléments de la chaîne énergétique (source chaude, source froide, échangeurs, convertisseurs électriques). L’objectif de la thèse est de créer un outil de simulation du fonctionnement des générateurs sur l’ensemble du cycle de production de chaleur et donc sur des fonctionnements réels dépendant du temps. Le modèle développé en 3D pour les transferts de chaleur prend en compte la dépendance à la température des propriétés des matériaux et l’effet Thomson pour le modèle thermoélectrique.La validation de cet outil de simulation a nécessité la comparaison des prédictions du modèle à des résultats expérimentaux. Un dispositif expérimental a été complété et amélioré afin de mieux répondre aux attentes des études en régime instationnaire. Ce banc d'essai permet d'effectuer des tests avec différentes configurations de générateur thermoélectrique et différentes conditions de fonctionnement. Le modèle a montré une estimation correcte des températures du système et de la production électrique du TEG. Le modèle numérique est validé et peut être utilisé pour la prédiction du fonctionnement d’un TEG dans diverses conditions. / Thermoelectric generators (TEG), combine thermoelectric modules with heat exchangers, making it possible to produce electricity from a hot source and a cold source. Their use, which is currently reserved for niche applications, will prove useful for various industrial or domestic applications due to the imminent availability of new thermoelectric materials allowing improved yields and lower costs. To make the use of TEGs more attractive and to improve the overall efficiency of future installations, optimized design and use are essential.The high-performance TEG design requires the development of numerical models integrating all the elements of the energy chain (hot source, cold source, exchangers, electric converters).The aim of the thesis is to create a tool for simulating the operation of generators over the entire heat production cycle and thus on real time-dependent operations. The model developed in 3D for heat transfer takes into account the temperature dependence of the properties of the materials and the Thomson effect for the thermoelectric model.The validation of this simulation tool required the comparison of model predictions with experimental results. An experimental device has been completed and improved to match better the expectations of unsteady studies. This test bench allows testing with different thermoelectric generator configurations and different operating conditions.The model showed a correct estimation of system temperatures and electrical output of TEG. The numerical model is validated and can be used to predict the operation of a TEG under various conditions.

Ces dernières décennies, l'urgence croissante de la crise énergétique et la prise de conscience qu'une grande partie de l'énergie utilisée dans le monde est dissipée sous forme de chaleur ont provoqué un engouement pour le développement de modules thermoélectriques performants. Ces dispositifs pourraient récupérer la chaleur provenant de procédés industriels ou d'autres sources, transformant un gradient de température en voltage grâce à l'effet Seebeck. Les matériaux thermoélectriques performants doivent posséder une faible conductivité thermique, une haute conductivité électrique et un grand coefficient Seebeck. L'optimisation simultanée de ces paramètres est un défi majeur pour la physique de la matière condensée et la science des matériaux. Dans l'optique d'améliorer les propriétés thermoélectriques de plusieurs matériaux prometteurs, nous explorons plusieurs stratégies dans lesquelles les défauts (substitutions atomiques, lacunes…), le désordre et le confinement dimensionnel jouent un rôle central. Nous réalisons des calculs en théorie de la fonctionnelle densité et des projections sur des orbitales de Wannier afin de construire des Hamiltoniens et des matrices dynamiques réalistes décrivant leur structure électronique et vibrationnelle dans l'espace réel. Ces paramètres sont ensuite utilisés pour calculer les propriétés de transport thermoélectrique en utilisant le formalisme de Kubo, l'équation de Boltzmann, le formalisme de Landauer et la méthode Chebyshev polynomial Green's function, qui permet un traitement exact du désordre. Nous étudions les propriétés de transport électronique et les performances thermoélectriques de deux matériaux prometteurs pour la production d'énergie à hautes températures, le titanate de strontium et l'oxyde de titane rutile. Nous obtenons un très bon accord entre nos prédictions et un grand nombre de données expérimentales. Nous montrons que l'augmentation du coefficient Seebeck observée dans les superlayers de titanate de strontium, jusque-là attribuée à des effets de confinement quantique, est en réalité très bien expliquée par l'hypothèse d'électrons délocalisés. Nous explorons les effets généraux des états résonant sur le transport électronique dans le cadre d'une étude modèle, et nous trouvons une augmentation d'un facteur six des performances thermoélectriques. Nous examinons ensuite le cas particulier du titanate de strontium, et nous montrons que les performances sont détruites par des effets de localisation si des atomes de Vanadium sont introduits comme impuretés résonantes. Nous étudions l'influence des défauts dans les matériaux bidimensionnels. Contrairement aux adatomes, nous montrons que les substitutions dans les dichalcogénures de métaux de transition ont pour effet de localiser les porteurs de charge. Nous étudions l'effet des lacunes sur le transport de phonons dans le graphène, et nous déterminons les taux de diffusion phonon-lacune. Nous obtenons un très bon accord entre notre théorie et des mesures de conductivité thermique dans des échantillons de graphène irradiés et de tailles finies / Over the past decades, the increasingly pressing need for clean energy sources and the realization that a huge proportion of the world energy consumption is wasted in heat have prompted great interest in developing efficient thermoelectric generation modules. These devices could harvest waste heat from industrial processes or other sources, turning a temperature gradient into a voltage through the Seebeck effect. Efficient thermoelectric materials should exhibit a low thermal conductivity, a high electrical conductivity and a high Seebeck coefficient. Simultaneously optimizing these parameters is a great challenge of condensed matter physics and materials science. With a view to enhance the thermoelectric properties of several promising materials, we explore several strategies in which defects (atomic substitutions, vacancies…), disorder and dimensional confinement play a crucial role. We perform density functional theory calculations and projections on Wannier orbitals to construct realistic Hamiltonians and dynamical matrices describing their electronic and vibrational structure in real space. These parameters are then used to compute the thermoelectric transport properties using the Kubo formalism, the Boltzmann transport equation, the Landauer formalism, and the Chebyshev polynomial Green's function method that allows for an exact treatment of disorder. We investigate the electronic transport properties and thermoelectric performances of two promising materials for high-temperature power generation, strontium titanate and rutile titanium dioxide. Comparison of our predictions with a wealth of experimental data yields a very good agreement. We show that the increase of the Seebeck coefficient observed in strontium titanate superlayers, until now attributed to quantum confinement effects, is in fact well explained assuming delocalized electrons. The general effects of resonant states on electronic transport are explored in a model study, showing a sixfold increase of the thermoelectric performances. The particular case of strontium titanate is then examined, and localization effects are shown to destroy the performances if Vanadium atoms are introduced as resonant impurities. The influence of defects in two-dimensional materials is investigated. Contrary to adatoms, substitutions in transition metal dichalcogenides are shown to localize the charge carriers. We study the effect of vacancies on phonon transport in graphene, and determine the phonon-vacancy scattering rate. Comparison with thermal conductivity data for irradiated and finite-size graphene samples yields a very good agreement between theory and experiments

<p>Flexible printed circuit boards (flex PCBs) are used in a wide range of electronic devices today due to their light weight, bendability, extensive wiring possibilities, and low-cost manufacturing techniques. The general trend in the flex PCB industry is further miniaturization alongside increasing functionality per device and reduced costs. To meet these demands, a new generation of low cost manufacturing technologies is being developed to enable structures with smaller lateral dimensions and higher packing densities.</p><p>Wet etching is today the most cost-efficient method for producing a large number of through-foil structures in flex PCBs. However, conventional wet etch techniques do not allow for through-foil structures with aspect ratios over 1 – a fact that either necessitates thin and mechanically weak foils or puts severe limitations on the packing density. The fabrication techniques presented in this thesis allow for through-foil structures with higher aspect ratios and packing densities using wet etching. To achieve high aspect ratios with wet etching, the flex PCB foils are pre-treated with irradiation by swift heavy ions. Each ion that passes through the foil leaves a track of damaged material which can be subsequently etched to form highly vertical pores. By using conventional flex PCB process techniques on the porous foils, high aspect ratio metallized through-foil structures are demonstrated.</p><p>The resulting structures consist of multiple sub-micrometer sized wires. These structures are superior to their conventional counterparts when it comes to their higher aspect ratios, higher possible packing densities and low metallic cross-section. Furthermore, metallized through-foil structures with larger areas and more complicated geometries are possible without losing the mechanical stability of the foil. This in turn enables applications that are not possible using conventional techniques and structures. In this thesis, two such applications are demonstrated: flex PCB vertical thermopile sensors and substrate integrated waveguides for use in millimeter wave applications.</p>

Flexible printed circuit boards (flex PCBs) are used in a wide range of electronic devices today due to their light weight, bendability, extensive wiring possibilities, and low-cost manufacturing techniques. The general trend in the flex PCB industry is further miniaturization alongside increasing functionality per device and reduced costs. To meet these demands, a new generation of low cost manufacturing technologies is being developed to enable structures with smaller lateral dimensions and higher packing densities. Wet etching is today the most cost-efficient method for producing a large number of through-foil structures in flex PCBs. However, conventional wet etch techniques do not allow for through-foil structures with aspect ratios over 1 – a fact that either necessitates thin and mechanically weak foils or puts severe limitations on the packing density. The fabrication techniques presented in this thesis allow for through-foil structures with higher aspect ratios and packing densities using wet etching. To achieve high aspect ratios with wet etching, the flex PCB foils are pre-treated with irradiation by swift heavy ions. Each ion that passes through the foil leaves a track of damaged material which can be subsequently etched to form highly vertical pores. By using conventional flex PCB process techniques on the porous foils, high aspect ratio metallized through-foil structures are demonstrated. The resulting structures consist of multiple sub-micrometer sized wires. These structures are superior to their conventional counterparts when it comes to their higher aspect ratios, higher possible packing densities and low metallic cross-section. Furthermore, metallized through-foil structures with larger areas and more complicated geometries are possible without losing the mechanical stability of the foil. This in turn enables applications that are not possible using conventional techniques and structures. In this thesis, two such applications are demonstrated: flex PCB vertical thermopile sensors and substrate integrated waveguides for use in millimeter wave applications. / wisenet