Les composés lamellaires à structure Ruddlesden-Popper, de formule (La,Sr,Ca)_3Mn_2O_7, offrent la possibilité d'explorer le magnétisme bidimensionnel (2D) dans la famille des manganites. L'intérêt de ces derniers réside d'une part, dans leur magnétorésistance colossale, d'autre part, dans la polarisation totale en spin de l'état ferromagnétique. Afin d'accéder aux caractères intrinsèque et anisotrope de leurs propriétés physiques, des monocristaux de composition chimique La_1.2(Sr, Ca)_1.8Mn_2O_7 et de taille centimétrique ont été fabriqués par fusion de zone verticale associée au four à image. Ils ont ensuite fait l'objet de caractérisations par diffraction des rayons X et des neutrons, et par microscopie électronique en transmission haute résolution. Nous avons approfondi l'étude du comportement magnétique de La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7 sur une large gamme de température, incluant la détermination de ses grandeurs magnétiques fondamentales: anisotropie magnétique, exposants critiques et "crossovers" au voisinage de la température de Curie, T_c 1̃08K. Au moyen de mesures fines d'aimantation et de susceptibilité, nous avons démontré l'apparition de corrélations quasi-2D vers 4̃20K, température à laquelle le modèle de Curie-Weiss tombe en désuétude. La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7 peut être considéré comme un aimant de type Heisenberg quasi-2D avec des écarts notoires au modèle idéal: d'une part, l'anisotropie XY induisant un "crossover" avec la dimensionalité de spin à T_n1̃57K, d'autre part, les couplages tridimensionnels entre feuillets double pérovskite qui provoquent un second "crossover" avec la dimensionalité du réseau à T_d1̃17K. Le développement timide des corrélations ferromagnétiques 2D, ainsi que nos estimations des exposants critiques delta=(4.3±1.1) et gamma1̃.4 au voisinage de T_c, indiquent que la transition ferromagnétique dans La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7 est essentiellement tridimensionnelle. A la transition paramagnétique -> ferromagnétique sont étroitement associés une transition isolant -> métal (T_(i-m)1̃28K), ainsi qu'un maximum de magnétorésistance négative (dp/p(8T))_[001]1̃1502̃x(dp/p(8T))_[110] pour La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7, supérieur aux performances des pérovskites aux T_c similaires. Avec l'anisotropie marquée de la résistivité électrique et une faible métallicité ne s'établissant véritablement que dans les blocs de feuillets double pérovskite transparaÎt la structure lamellaire des composés La_1.2Sr_(1.8-y)Ca_yMn_2O_7 (y=0.0 et 0.2).

Dans ce travail, nous avons étudié l'effet des contraintes extérieures et des inhomogénéités locales sur les propriétés diélectriques et structurales des cristaux ferroélectriques- relaxeurs à base de plomb PZN-x%PT avec 0%≤x≤12%. Dans une première partie, nous avons déterminé les propriétés diélectriques et structurales du système PZN-6%PT. Pour l'état vierge, ce composé subit la séquence de transition de phase C  T  R, où C, T et R sont, respectivement, les phases cubique, quadratique et rhomboédrique. En appliquant un champ électrique statique, une phase orthorhombique est induite entre les phases T et R. Dans la deuxième partie, nous avons montré la présence d'une anomalie diélectrique à basse température observée sur le PZN-x%PT avec 0%≤x≤12%. Dans ce domaine de température, l'étude structurale ne montre aucune transition de phase. L'ensemble de ces résultats sont interprétés moyennant un modèle basé sur la présence des nano-régions polaires. En troisième partie nous avons déterminé les propriétés diélectriques et piézoélectrique du PZN-12%PT dopé au manganèse dans son état monodomaine. Le dopage affecte, principalement, la permittivité transverse et le coefficient piézoélectrique de cisaillement. Le dopage induit aussi la stabilité de la structure monodomaine et l'effet de mémoire de la microstructure. Ces résultats sont expliqués en utilisant le modèle de symétrie des défauts. Dans la dernière partie, nous nous sommes intéressés à la simulation de l'effet de la présence des dipôles-défaut (dopage) sur les propriétés physiques de BaTiO3. Nous avons mis en évidence l'induction d'un champ électrique interne responsable du décalage du cycle d'hystérésis vers les champs électriques négatifs.

Mémoire (M.Sc.A.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1991. / Bibliogr.: ff. 49-50. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Mémoire (M.Eng.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1998. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

La mécanique statistique des systèmes auto-gravitants constitue un des plus fascinants et mystérieux champs de recherche. À cause de la nature à longue-portée de la force gravitationnelle, la notion usuelle d'équilibre statistique est modifiée, faisant de cette étude un problème hors-équilibre. Par conséquent, ces systèmes exhibent certaines propriétés particulières comme, par exemple, l'existence de transitions de phase associées à un effondrement gravitationnel. Le travail présenté dans cette thèse a comme but une description détaillée des transitions de phase dans un cadre général relativiste en considérant, en particulier, le cas des fermions auto-gravitants. La thèse est conceptuellement divisée en trois parties, selon le niveau de dégénérescence du système. D'abord, nous focalisons notre attention sur le cas des fermions dégénérés (T = 0), en étudiant en détail l'équilibre gravitationnel. Ensuite, en considérant la limite de haute température (T >> 1), nous montrons l'existence de deux types d'effondrement gravitationnel dans les séries d'équilibre. Enfin, nous explorons le cas général, en illustrant la présence des transitions de phase gravitationnelles, soit dans l'ensemble micro-canonique soit dans l'ensemble canonique. / The statistical mechanics of self-gravitating systems constitutes one of the most fascinating and puzzling fields of research. Due to the long-range nature of the gravitational force, the usual notion of statistical equilibrium is modified, making of this study an out-of-equilibrium problem. As a consequence, these systems exhibit some peculiar features such as the occurrence of phase transitions associated with a gravitational collapse. The work presented in this thesis aims at providing a detailed description of the phase transitions in a general relativistic framework by considering, in particular, the case of self-gravitating fermions. The thesis is conceptually divided in three parts, according to the degeneracy level of the system. We firstly focus our attention on the case of degenerate fermions (T = 0), by studying in detail the gravitational equilibrium. Successively, considering the high temperature limit (T >> 1), we show the existence of two kinds of gravitational collapse in the series of equilibria. Finally, we explore the general case, by illustrating the occurrence of the gravitational phase transitions, in both microcanonical and canonical ensembles.

Dans ce travail, nous avons étudié l’effet des contraintes extérieures et des inhomogénéités locales sur les propriétés diélectriques et structurales des cristaux ferroélectriques- relaxeurs à base de plomb PZN-x%PT avec 0%≤x≤12%. Dans une première partie, nous avons déterminé les propriétés diélectriques et structurales du système PZN-6%PT. Pour l’état vierge, ce composé subit la séquence de transition de phase C  T  R, où C, T et R sont, respectivement, les phases cubique, quadratique et rhomboédrique. En appliquant un champ électrique statique, une phase orthorhombique est induite entre les phases T et R. Dans la deuxième partie, nous avons montré la présence d’une anomalie diélectrique à basse température observée sur le PZN-x%PT avec 0%≤x≤12%. Dans ce domaine de température, l’étude structurale ne montre aucune transition de phase. L’ensemble de ces résultats sont interprétés moyennant un modèle basé sur la présence des nano-régions polaires. En troisième partie nous avons déterminé les propriétés diélectriques et piézoélectrique du PZN-12%PT dopé au manganèse dans son état monodomaine. Le dopage affecte, principalement, la permittivité transverse et le coefficient piézoélectrique de cisaillement. Le dopage induit aussi la stabilité de la structure monodomaine et l’effet de mémoire de la microstructure. Ces résultats sont expliqués en utilisant le modèle de symétrie des défauts. Dans la dernière partie, nous nous sommes intéressés à la simulation de l’effet de la présence des dipôles-défaut (dopage) sur les propriétés physiques de BaTiO3. Nous avons mis en évidence l’induction d’un champ électrique interne responsable du décalage du cycle d’hystérésis vers les champs électriques négatifs. / In this work, we studied the effect of external constraints and local inhomogeneities on dielectric and structural properties of the lead-based ferroelectric-relaxor system PZN-x%PT with 0%≤x≤12%. In the first part, we determined phase transformations of [001], [110] and [111] oriented PZN-6%PT single crystals. The un-poled samples undergo C  T  R, phase transitions sequence, where C, T and R, and are rhombohedral, tetragonal and cubic phases, respectively. Under electric field, an intermediate orthorhombic phase is induced between T and R phases. The second part was devoted to the study of the electromechanical and structural properties at cryogenic temperature of the PZN-x%PT system (0%≤x≤12%.). These characterizations show the presence of a dielectric anomaly at low temperatures. In the same temperature range, the structural study does not show any phase transition. These behaviors are interpreted through a model based on the presence of polar nano-regions. In the third part we study the influence of manganese doping on the electromechanical properties of PZN-12%PT single crystal in a single domain state. Doping leads to a decrease of the dielectric transverse permittivity  T 11 and of the shear piezoelectric coefficient d15. This intrinsic effect is discussed by using a volume effect model based on the symmetry conforming principle of point defects. This model explains also the stability of the single domain structure and the memory effect observed during this work. In the last part, we simulated, using molecular dynamics method, the effect of doping (defects-dipoles) on the physical properties of BaTiO3. The introducing of defects-dipoles induces an internal electric field, responsible for the shift of the hysteresis loop.

Dans cette thèse nous utilisons des méthodes globaux de prédiction des structures cristallographiques combinés à des techniques de grande capacité de traitement de données afin de prédire la structure cristalline de différents systèmes et dans des conditions thermodynamiques variées. Nous avons réalisé des prédictions structurales utilisant l'analyse cristalline par optimisation par essaims particuliers (CALYPSO) combinés avec la Théorie Fonctionnel de la Densité (DFT) ce qui a permis de mettre en évidence la stabilité de plusieurs composés jusqu'à la inconnus dans le digramme de phases du système Ba-Si et dans le système N-H-O. Nous avons également réalisé une étude à haute capacité de traitement de données sur un système ternaire de composition ABX2. Nous avons utilisé la Théorie Fonctionnel de la Densité combinant calculs de prototypes structuraux à partir des prédictions structurelles avec la méthode. Dans les paragraphes suivants nous résumons le contenu de différents chapitres de cette thèse. Le premier chapitre qui constitue une brève introduction au travail de cette thèse est suivi du chapitre 2 présentant les aspects théoriques utilisés dans ce travail. D'abord il est fait une brève introduction à la Théorie Fonctionnel de la Densité. A continuation nous décrivons quelques fonctions d'échange-corrélation choisies qui constituent des approximations rendant l'utilisation de la DFT efficace. Ensuite nous présentons différents procédés de prédiction structurale, et en particulier les algorithmes d'optimisation par essaims particuliers et de « Minima Hopping » qeu nous avons utilisés dans cette thèse. Finalement il est discuté comment doit-on se prendre pour évaluer la stabilité thermodynamique des nouvelles phases identifiées. Dans le chapitre 3, nous considérons le système Ba-Si. A travers l'utilisation d'une recherche structurale non-biaisée basée sur l'algorithme d'optimisation par essaims particuliers combinée avec des calculs DFT, nous faisons une étude systématique de la stabilité des phases et de la diversité structurale du système binaire Ba-Si sous haute pression. Le diagramme de phases résultant est assez complexe avec plusieurs compositions se stabilisant et se déstabilisant en fonction de la pression. En particulier, nous avons identifié des nouvelles phases de stœchiométrie BaSi, BaSi2, BaSi3 et BaSi5 qui devraient pouvoir être synthétisées expérimentalement dans un domaine de pressions étendu. Dans le chapitre 4 est présentée notre étude du diagramme de phases du système N-H-O. S'appuyant sur une recherche structural «évolutive » de type ab initio, nous prédisons deux nouvelles phases du système ternaire N-H-O qui sont NOH4 et HNO3 à de pressions allant jusqu'à 150 GPa. La nouvelle phase de NOH4 est stable entre 71 et 150 GPa, tandis que HNO3 est stable entre 39 et 150 GPa (la pression maximum de cette étude). Ces deux nouvelles phases sont lamellaires. Nous confirmons également que la composition NOH5 perd son stabilité pour des pressions supérieures à 122 GPa se décomposant en NH3 et H2O à cette pression. Le chapitre 5 se focalise sur les électrodes transparentes de type-p à base des chalcogénures ternaires. Nous utilisons une approche à grande capacité de traitement de données basée sur la DFT pour obtenir la delafossite et d'autres phases voisines de composition ABX2. Nous trouvons 79 systèmes qui sont absents de la base de données « Materials project database », qui sont stables du point de vue thermodynamique et qui cristallisent soit dans la structure delafossite, soit dans des structures très proches. Cette caractérisation révèle une grande diversité de propriétés allant depuis les métaux ordinaires aux métaux magnétiques et permettant d'identifier quelques candidats pour des électrodes transparents de type-p. Nous présentons enfin à la fin du manuscrit nos conclusions générales et les perspectives de ce travail / In this thesis we use global structural prediction methods (Particle Swarm Optimization and Minima Hopping Method) and high-throughput techniques to predict crystal structures of different systems under different conditions. We performed structural prediction by using the Crystal structure Analysis by Particle Swarm Optimization (CALYPSO) combined with Density Functional Theory (DFT) that made possible to unveil several stable compounds, so far unknown, on the phase diagrams of Ba-Si systerm and N-H-O system. Afterwards, we performed a high-throughput investigation on ternary compounds of composition ABX2, where A and B are elements of the periodic table up to Bi, and X is a chalcogen (O, S, Se, and Te) by using density functional theory and combining calculations of crystal prototypes with structural prediction (Minima Hopping Method). The following paragraphs summarize the content by chapter of this document. Chapter 1 is a short introduction of this thesis. Chapter 2 consists of the basic theory used in this thesis. Firstly, a short introduction of Density Function Theory (DFT) is presented. Then, we describe some approximate exchange- correlation functions that make DFT practical. Next, we introduce different structural prediction algorithms, especially Particle Swarm Optimization and Minima Hopping Method which we used in this thesis. Finally, we discuss the thermodynamic stablility criteria for a new a new structure. In Chapter 3, we first consider Ba–Si system. Using an unbiased structural search based on a particle-swarm optimization algorithm combined with DFT calculations, we investigate systematically the ground-state phase stability and structural diversity of Ba–Si binaries under high pressure. The phase diagram turns out to be quite intricate, with several compositions stabilizing/destabilizing as a function of pressure. In particular, we identify novel phases of BaSi, BaSi2, BaSi3, and BaSi5 that might be synthesizable experimentally over a wide range of pressures. Chapter 4 contains the investigation of the phases diagram of the N–H–O system. By using ab initio evolutionary structural search, we report the prediction of two novel phases of the N–H–O ternary system, namely NOH4 and HNO3 (nitric acid) at pressure up to 150 GPa. Our calculations show that the new C2/m phase of NOH4 is stable under a large range of pressure from 71 GPa to 150 GPa while the P21/m phase of HNO3 (nitric acid) is stable from 39 GPa to 150 GPa (the maximum pressure which we have studied). We also confirmed that the composition NOH5 (NH3H2O) becomes unstable for pressures above 122 GPa. It decomposes into NH3 and H2O at this pressure. Chapter 5 focuses on p-type transparent electrodes of ternary chalcogenides. We use a high-throughput approach based on DFT to find delafossite and related layered phases of composition ABX2, where A and B are elements of the periodic table, and X is a chalcogen (O, S, Se, and Te). From the 15 624 compounds studied in the trigonal delafossite prototype structure, 285 are within 50 meV/atom from the convex hull of stability. These compounds are further investigated using global structural prediction methods to obtain their lowest- energy crystal structure. We find 79 systems not present in the "Materials project database" that are thermodynamically stable and crystallize in the delafossite or in closely related structures. These novel phases are then characterized by calculating their band gaps and hole effective masses. This characterization unveils a large diversity of properties, ranging from normal metals, magnetic metals, and some candidate compounds for p-type transparent electrodes. At the end of the thesis, we give our general conclusion and an outlook

Au voisinage et au dessous des fréquences térahertz, nous avons investigué la dynamique des modes mous centraux de type Debye dans les super-réseaux ferroélectriques BaTiO3/BaxSr1-xTiO3 dans un large domaine de températures en utilisant la spectroscopie Raman polarisée. La coexistence d'un pic central et du mode mou sous-atténué suggère un caractère complexe ordre-désordre des transitions de phase successives dans ces matériaux. L'apparition du mode central prononcé pourrait expliquer l'anomalie diélectrique de type relaxateur récemment observée dans de tels super-réseaux. Nous avons exploré et comparé la dynamique des super-réseaux à trois couches et à deux couches. Nous avons montré que l'utilisation de couches de compositions chimiques différentes dans des super-réseaux multicouches permet d'obtenir des hétérostructures ayant des caractéristiques souhaitables en raison des effets de déformation entre les couches alternées et de contrôler leurs paramètres.Nous avons établi les diagrammes de phase théoriques "strain-misfit temperature" pour les couches minces de BaxSr1-xTiO3 déposées sur des substrats cubiques orientés (111). Ces diagrammes de phase sont utiles pour des applications pratiques dans l'ingénierie des couches minces. Nous avons aussi réalisé une étude expérimentale sur un film mince de Ba0.8Sr0.2TiO3 déposé sur un substrat MgO (111) pour vérifier nos prédictions théoriques. Nous avons étudié l'inversion de la polarisation induite par le champ dans la phase ferroélectrique orientée suivant l'axe C des films de structure pérovskite sous contrainte. Nous avons montré qu'en plus du mécanisme de commutation longitudinal conventionnel, lorsque le module du vecteur de polarisation orienté selon l'axe c change, les mécanismes longitudinaux-transversaux et transversaux sont aussi possibles lorsque la composante perpendiculaire de la polarisation est activée dynamiquement / We investigate near- and sub-Terahertz dynamics of soft and Debye-type central modes by the polarized Raman spectroscopy in ferroelectric BaTiO3/BaxSr1-xTiO3 superlattices in a broad temperature range. Coexistence of the central peak and the underdamped soft mode suggests complicated order-disorder character of successive phase transitions in these superlattices. The occurrence of the pronounced central mode can explain the recently observed relaxor-like dielectric anomaly in such superlattices. We explore and compare the lattice dynamics of three-layer and two-layer superlattices. We show that the using layers of different chemical compositions in multilayered superlattices one can obtain heterostructures with the desirable characteristics and realize fine tuning of their parameters due to strain effects between alternating layers.We construct the “temperature-misfit strain” theoretical phase diagrams for BaxSr1-xTiO3 thin films grown on (111)-oriented cubic substrates. The phase diagrams are useful for practical applications in thin-film engineering. We experimentally investigate a Ba0.8Sr0.2TiO3 thin film deposited on (111)MgO substrate with the aim to verify our theoretical predictions. We study the field-induced polarization reversal in the c-oriented ferroelectric phase of strained perovskite films. We show that in addition to the conventional longitudinal switching mechanism, when the c-oriented polarization vector changes its modulus, the longitudinal-transversal and transversal mechanisms when the perpendicular component of polarization is dynamically admixed are possible

Les études et les résultats présentés dans ce manuscrit ont pour but de développer une meilleure compréhension des principes à la base de l'auto-organisation dans les systèmes biologiques. La théorie topologique des transitions de phase est l'un des approches possibles pour fournir une généralisation de la description des transitions de phase dans les systèmes petits ou mésoscopiques. Cette théorie a été rigoureusement enracinée dans deux théorèmes: un contre exemple à l'un de ces théorèmes a été récemment découvert. La première partie de ce manuscrit est donc consacré à mieux comprendre ce «contre-exemple » pour verifier si et comment la théorie peut être sauvé.Dans la deuxieme parte de ce manuscrit les résultats des recherches théoriques, numériques et expérimentales sur la condensation à la Fr "ohlich sont reportés. Ceci est une condition préalable à l'activation des oscillations dipolaires géantes qui entraînent des interactions électrodynamiques à long portée entre les molécules coresonnantes. Dans cette thèse, on montre que les interactions à longue portée affectent sensiblement les propriétés de diffusion des molécules en solution. Une empreinte des interactions à long portée pourrait être un phénomène de «transition» en ce qui concerne le coefficient de diffusion en fonction d'un paramètre de contrôle proportionnel à l’intensité d'interaction. Simulations analogues ont été réalisées afin de valider une approche expérimentale visant à trouver une telle «empreinte» dans les systèmes avec interactions à longue portée. / The studies and results reported in this manuscript are aimed to develop a deeper understanding of the principles at the basis of self-organization in biological system.The Topological Theory of phase transitions is one of the possible approaches to provide a generalization of description of phase transitions in small or mesoscopic systems. This theory has been rigorously rooted in two theorems: a counterexample to one of these theorems has been recently found. The first part of this manuscript is devoted to investigation of the "counterexample" to understand if and how the theory can be saved. In the second part of this manuscript the results of theoretical, numerical and experimental investigations on Fr"ohlich-like condensation for normal modes of biomolecules are reported. This is a prerequisite for the activation of giant dipole oscillations in biomolecules which entail long-range electrodynamic interactions between coresonant molecules. In this thesis is shown that long-range interactions markedly affect the self-diffusion properties of molecules in solution. A fingerprint of long-range interactions could be a "transitional" phenomenon concerning the self-diffusion coefficient as a function of a control parameter proportional to interaction strength. Analogous simulations have been performed to validate an experimental approach aimed at finding such "fingerprint" in systems with built-in long-range interactions.

Les matériaux à changement de phase (MCP) sont utilisés dans une vaste gamme d’applications dans lesquels ils peuvent servir, entre autres, au stockage d’énergie thermique sous forme latente. Les changements de phase liquide-solide ont été le sujet de plusieurs études dans les dernières décennies autant au niveau expérimental que numérique. Puisque la matière est organisée différemment à l’échelle moléculaire, les propriétés physiques des phases solides et liquides sont différentes. En particulier, les variations de densité lors du changement de phase entraînent des variations de volume, i.e., le MCP peut se dilater ou se contracter selon de la densité relative de chaque phase. Cependant, les variations de volume sont négligées dans la plupart des études sur le changement de phase solide-liquide. La complexité additionnelle et les défis associés à la modélisation mathématique et numérique du changement de phase solide-liquide avec les variations de densité sont tels que seulement un petit nombre d’études sur ce sujet sont disponibles dans la littérature, spécialement lorsque le MCP interagit avec ses frontières physiques (couplage thermomécanique). L’objectif de cette thèse est donc de contribuer à l’avancement des connaissances en ce qui a trait à la modélisation mathématique et numérique des changements de phase solide-liquide lorsque les variations de densité et le couplage thermomécanique entre le MCP et son contenant sont pris en considération. Dans un premier temps, un nouvel ensemble d’équations de conservation est établi pour le changement de phase solide-liquide avec différentes propriétés pour chaque phase, particulièrement la densité. En représentant la zone pâteuse comme un milieu poreux (de façon similaire au modèle enthalpique), des équations de conservation macroscopiques moyennées sont développées en appliquant une méthode de moyenne volumique (« volume averaging ») aux équations de conservation exactes pour les phases solides et liquides à l’échelle des pores. Le choix de l’hypothèse pour la vitesse de la phase solide dans la zone pâteuse (stationnaire ou mobile) se fait grâce à un seul paramètre numérique. Des simulations ont été effectuées avec un code de volumes finis dans Matlab pour un problème de solidification unidimensionnel afin de mettre en évidence les différences entre le nouveau modèle et le modèle enthalpique existant. Dans un deuxième temps, le modèle mathématique développé dans la première partie de cette thèse a été modifié pour prendre en compte les interactions entre le MCP et ses frontières physiques. Deux nouveaux modèles de couplage thermomécanique ont été introduits. Dans le premier, il a été supposé que la dilatation du MCP est contrainte par un mur élastique et que l’augmentation de pression dans le MCP suit une loi de Hooke modifiée. Dans le second modèle, une cavité d’air a été introduite au-dessus du MCP pour faciliter l’expansion de ce dernier. Des corrélations analytiques ont été développées afin de prédire certaines quantités physiques d'intérêt à l’équilibre, comme l’augmentation de pression dans le MCP, la température de fusion, la hauteur du MCP, etc. Le code de volumes finis implémenté sur Matlab dans la première partie de ce travail a été modifié par l’ajout d’une technique de maillage mobile (« moving mesh ») pour accommoder les variations de volume du MCP. Le problème étudié était la solidification d’une couche unidimensionnelle de MCP d’une hauteur finie. Les résultats numériques ont été comparés aux prédictions analytiques à l’équilibre et ils s’avèrent être en accord. Dans un dernier temps, le modèle comprenant le mur élastique a été appliqué au problème de solidification de l’eau près de son extremum de densité dans une cavité bidimensionnelle avec convection naturelle. Le modèle complet a été implémenté dans un logiciel de CFD commercial (Fluent). Une nouvelle méthodologie a été développée afin d’améliorer les capacités du logiciel. Le couplage thermomécanique a été accompli grâce à plusieurs « User-Defined Functions » (UDF). L’effet du confinement de l’eau lors de la solidification dans la cavité a été étudié en faisant varier la rigidité du mur élastique. Il a été démontré que l’augmentation de pression résultante du couplage thermomécanique influence de façon significative l’écoulement et le taux de solidification de MCP. / Phase change materials (PCM) are commonly used in a vast range of engineering applications in which they can serve, for example, as a way of storing thermal energy in the form of latent energy. Solid-liquid phase change has been the subject of many studies in the past decades both experimentally and numerically. Due to the different ways in which matter is organized at the molecular level, the physical properties of the solid and liquid phases are different. In particular, the density variations during phase change leads to volume variations, i.e., the PCM will either expand or shrink, depending on the relative density of each phase. In most studies, however, volume variations during solid-liquid phase change were deemed negligible and were not taken into account. The additional complexity and the challenges associated with the mathematical and numerical modeling of solid-liquid phase change with variable density are such that only a handful of studies on the topic may be found in literature, especially in the case where the PCM interacts with its physical boundaries (thermo-mechanical coupling). The goal of this thesis is therefore to contribute to the state of the art in terms of mathematical and numerical modeling of solid-liquid phase change when both density variations and thermo-mechanical coupling between the PCM and its container are taken into account. First, a new set of conservation equations is derived for solid-liquid phase change with different properties for each phase, especially the density. By representing the mushy region of the PCM as a porous medium (similarly to the well-known enthalpy-porosity model), macroscopic average conservation equations are developed by applying a method of volume averaging to the exact conservation equations for the solid and liquid phases at the pore level. The choice of the assumption regarding the velocity of the solid phase within the mushy region (stationary or moving) is achieved by the use of a single numerical parameter. Numerical simulations of a 1D solidification problem were performed with a finite volume code on Matlab to outline the differences between the new model and the existing enthalpy-porosity model. Then, the mathematical model developed in the first part of this thesis was extended in order to account for the interaction of the PCM with its physical boundaries. Two new models for the thermo-mechanical coupling were introduced. In the first model, it was assumed that the PCM expansion was constrained by an elastic wall and that the pressure rise within the PCM followed a modified Hooke’s law. In the second model, an air gap was introduced on top of the PCM in order to allow the latter to expand more easily. Analytical correlations were derived to predict relevant physical quantities at equilibrium, such as the pressure rise within the system, the melting temperature, the height of the PCM slab, etc. The finite volume code developed during the first part of this work was extended with a moving mesh technique to accommodate the volume variations of the PCM. The problem studied was the solidification of a 1D PCM slab of finite height. The numerical results were compared against the analytical predictions at equilibrium and showed good agreement. Finally, the elastic wall model introduced in the previous part of the thesis was applied to the problem of solidification of water near its density extremum in a 2D cavity with natural convection. The complete model was implemented in commercial software package (Fluent). A new methodology was developed in order to improve the capabilities of the software and the thermo-mechanical coupling was achieved with the help of a set of User-Defined Functions (UDF). The effect of the confinement of water as it solidifies inside the cavity was studied by varying the stiffness of the elastic wall. It was shown that the pressure rise resulting from the thermo-mechanical coupling significantly influences the flow pattern and the solidification rate of the PCM.