Ce travail de recherche est consacré à l’étude de l’endommagement des géomatériaux en utilisant la méthode non destructive par ultrasons. Pour atteindre cet objectif, nous développons dans un premier temps un dispositif à ultrasons modern et novateur qui, en combinant avec un système de sollicitation mécanique, permet de caractériser le processus de l’endommagement du matériau au cours des essais telle que la compression uniaxiale/triaxiale. Plus précisément, le système ultrasonore construit comporte 96 voies et au cours des essais il est capable de mesurer de manière continue les trois types des ondes grâces aux capteurs piézoélectriques spécifiques.L’application de ce système ultrasonore à la caractérisation de l’endommagement des géomatériaux à matrice cimentaire a montré l’efficacité de cette approche. Au cours des essais de compression uniaxiale, l’évolution de la vitesse et de l’atténuation de trois types d’onde a été mise en évidence comme conséquence de l’endommagement au sein du matériau. Nous nous intéressons dans un deuxième temps l’application du système ultrasonore à capturer les images d’endommagement progressif à travers les tomographies des vitesses et de l’atténuation des ondes. L’étude sur les éprouvettes de mortier donne des résultats concordants avec les observations, surtout à la rupture, bien que la résolution reste assez grossière. La dernière partie de ce travail de recherche vise à modéliser l’endommagement du matériau par une approche dite changement d’échelle. Un modèle conceptuel est proposé pour ce type de matériau qui permet de prendre en compte deux mécanismes principaux d’endommagement : la propagation des fissures au sein de la matrice cimentaire et la décohésion entre les inclusions et la matrice. Via un schéma d’homogénéisation en deux étapes, l’influence de ces mécanismes sur l’évolution des vitesses des ondes ultrasonores a été élucidée. Une comparaison des prédictions numériques avec les résultats expérimentaux permet de valider le modèle utilisé. / This research is devoted to study the damage of geomaterials using the nondestructive method like ultrasound. To this aim, we develop in the first step a modern and innovative system of ultrasound which, in combining with a mechanical system, can characterize the process of damage in material during the tests such as uniaxial/triaxial compression. More specifically, our ultrasonic system comprises 96 channels and can be able to measure continuously the three types of waves thanks to the specific piezoelectric sensors.The application of the developped system for characterization of the damage of a cement-based géomatériaux showed the efficacy of this approach. Under uniaxial loading, the evolution of the ultrasonic velocities and the attenuation of three types of wave have been detected as a result of damage within the material.We are interested in the second step the application of the ultrasonic system on the tomography (such as the velocities and attenuation) of damage during loading of materials. The study on some mortar specimens give good agreement between the obtained results and the observations, especially at failure , although the resolution is fairly coarse. The last part of this research is to model the damage of material by using a so-called up-scaling approach. A conceptual model is proposed for this type of material that allows to take into account two main damage mechanisms: crack in the cement matrix and debonding effect between the matrix and inclusions. Via a scheme of homogenization in two steps, the impact of such mechanisms on the evolution of velocities of the ultrasonic waves has been elucidated. The comparison of numerical predictions with experimental results allows validating the model.

La plupart des efforts de développements actuels des STT-MRAM est centrée sur des jonctions tunnels magnétiques à aimantation hors du plan. Les derniers empilements mis au point utilisent avantageusement l’anisotropie perpendiculaire induite aux interfaces magnétiques métal / oxydes, qui permet de réconcilier la forte anisotropie demandée pour assurer une rétention suffisante de la mémoire ainsi qu’une faible densité de courant de retournement STT grâce au couplage spin-orbite faible. Cependant, pour des cellules mémoire de taille inférieure à 20 nm, il est difficile d’atteindre une rétention de 10 ans à 100°C en utilisant uniquement l’anisotropie interfaciale. Pour augmenter encore plus l’anisotropie magnétique, ceci impose l’utilisation de couches magnétiques de CoFeB ultraminces (épaisseur inférieure à 1.4nm) qui présentent un coefficient d’amortissement Gilbert augmenté ainsi qu’une magnétorésistance tunnel TMR réduite. Pour des nœuds technologiques inférieurs à 20 nm, des nouveaux matériaux présentant une forte anisotropie magnétocrystalline et faible coefficient d’amortissement doivent être trouvés. De plus, l’anisotropie interfaciale est très sensible aux propriétés structurelles et chimiques aux interfaces entre les métaux magnétiques et la barrière tunnel de MgO. Avec des techniques de nanofabrication conventionnelles, ces interfaces peuvent être endommagées durant notamment l’étape de gravure, ce qui conduit à une variabilité importante cellule à cellule. Pour résoudre ce genre de problèmes pour des cellules STT-MRAM de tailles très petites, nous proposons l’utilisation d’empilements jonctions tunnel magnétiques dans lesquels l’anisotropie de la couche de stockage est contrôlée uniquement par son anisotropie de forme hors du plan. Ceci donne notamment une couche de stockage de forme cylindrique avec un aspect de forme suffisamment large (épaisseur / diamètre environ > 1). De cette façon, pour des raisons purement magnétostatiques, l’aimantation de la couche de stockage sera orientée perpendiculairement au plan de la cellule. Dans cette approche, la géométrie planaire classique des couches minces est ainsi remplacée par une géométrie tridimensionnelle. Cette approche innovante a plusieurs avantages : (i) elle génère une source fiable et robuste d’anisotropie perpendiculaire, beaucoup moins sensible aux défauts de structure et aux fluctuations thermiques; (ii) permet d’utiliser des matériaux connus et facile à croître, avec des coefficients d’amortissement faible, comme le Permalloy, en combinaison avec du CoFeB aux interfaces avec la barrière tunnel de MgO et (iii) donne une approche miniaturisable, même à des diamètres sub-10 nm, car le même matériau peut être utilisé pour des nœuds technologiques très petits. / Most of the actual STT-MRAM development effort is nowadays focused on out-of-plane magnetized MTJ taking advantage of the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) arising at magnetic metal/oxide interface. This interfacial anisotropy allows conciliating large anisotropy required to insure a sufficient retention of the memory together with low switching current density thanks to weak spin-orbit coupling. However this PMA is too weak to insure 10 year retention up to 100°C in sub-20 nm devices. For deeply sub-20 nm nodes, new materials with large bulk PMA and low damping still have to be found. Furthermore, because this PMA is an interfacial effect, it is very sensitive to the structural and chemical properties of the magnetic metal/MgO interfaces contributing to dot to dot variability. To solve these problems in very small feature size STT-MRAM, we propose a totally novel approach: use MTJ stacks in which the storage layer anisotropy is uniquely controlled by its out-of-plane shape anisotropy i.e. by giving the storage layer a cylindrical shape with large enough aspect ratio (thickness / diameter typically > 1). In such structure, for purely magnetostatic reasons, the storage layer magnetization lies out-of-plane. With this approach, the geometry of conventional 2D thin layers is thus replaced by a 3D geometry. This innovative approach had several advantages: (i) it creates a strong and robust source of perpendicular anisotropy, much less sensitive to interfacial defects and thermal fluctuations; (ii) allows the use of well-known materials with mastered growth and low magnetic damping, such as Permalloy in combination with FeCoB at the interface of the MgO tunnel barrier and (iii) yields to an extreme scalability of the memory point, down to the sub-10 nm node, as the same materials can be used at very low nodes.

Les nanoparticules, outils d'innovation dans le domaine biomédical, promettent des avantages significatifs, notamment au niveau du diagnostic et du traitement. Les nanoparticules d'or de forme anisotrope, nanobâtonnets, nanoprismes etc. présentent une absorption de la lumière dans le domaine du proche infrarouge, ce qui s'accompagne d'une augmentation locale de la température. Cet échauffement local provoqué par les nanoparticules d'or est exploité dans des thérapies, comme l'hyperthermie photo-assistée. Quant aux nanoparticules de fer, ce sont leurs propriétés magnétiques qui sont visées. Elles sont principalement mises à profit dans l'imagerie médicale, les nanoparticules de fer étant de bons agents de contraste pour l'IRM. Au cours de cette thèse nous nous somme intéressés d'une part à la synthèse de nanoparticules d'or de forme anisotrope sans utilisation, en tant qu'agent structurant, d'un tensioactif cationique, redouté pour sa toxicité. Pour cela la méthode polyol a été utilisée. En fonction des conditions de synthèse des plaquettes ou des cubes d'une taille sans précédent (ca. 21-50 nm) pour cette méthode ont été obtenus. Leur fonctionnalisation par des polymères de type PEG a été ensuite réalisée. D'autre part des nanoparticules de fer zero-valent de ca. 13 nm ont été élaborées en utilisant une approche organométallique dans le but de conserver une aimantation élevée nécessaire pour les applications envisagées. Nous avons réussi leur transfert dans l'eau, tout en conservant un cœur de fer zéro-valent de ca. 10 nm et donc une forte aimantation, grâce à des ligands comportant un groupement d'ancrage à la surface de nanoparticules type acide phosphonique. Des mesures préliminaires de leur relaxivité transversale ont été réalisées, ouvrant des perspectives très prometteuses en tant qu'agent de contraste en IRM. / Nanoparticles, tools of innovation in the biomedical field, promise significant advantages, notably in terms of diagnostic and therapy. Gold nanoparticles of anisotropic shape, nanorods, nanoprisms, etc. exhibit light absorption in the near-infrared region, which is accompanied by a local increase in temperature. This local warm-up is used in therapies, such as photo-assisted hyperthermia. In the case of iron nanoparticles, their magnetic properties are of interest for applications. They are mainly used in medical imaging, iron nanoparticles being good contrast agents for MRI. In this thesis, we have been interested in the synthesis of gold nanoparticles of anisotropic shapes free of cationic surfactants as structuring agent, because of their toxicity. As alternative the polyol method has been used. Depending on the synthesis conditions, platelets or cubes with an unprecedented size (ca. 21-50 nm) for this king of synthetic method have been obtained. On the other hand, zero-valent iron nanoparticles of ca. 13 nm have been developed using an organometallic approach in order to obtain nanoparticles with a high magnetization, necessary for the envisaged applications. We have succeeded in transferring iron nanoparticles into water, while conserving a zero-valent iron core of ca.10 nm and therefore a strong magnetization, thanks to ligands bearing a phosphonic acid head group in order to anchor them to the surface of the nanoparticles. Preliminary measurements of their transversal relaxivity have been carried out, opening up promising prospects as contrast agent for MRI.

Prédire l’évolution de la perméabilité avec la fissuration constitue un objectif primordial afin d’évaluer les conséquences d’un chargement mécanique sur la durabilité et l’étanchéité des structures. À l’issu de ce travail, un modèle d’évolution du tenseur de perméabilité est proposé. Ce modèle, qui est intégré dans le cadre de la poromécanique et de la théorie de l’endommagement,permet de prédire l’évolution anisotrope du tenseur de perméabilité en fonction de la fissuration. L’originalité de ce travail réside dans la prise en compte des ouvertures de fissure et des tailles anisotropes de l’élément fini durant la construction du tenseur de perméabilité. Ceci permet au débit total d’être indépendant du choix du maillage. Ce modèle est ensuite utilisé pour simuler le débit de fuite dans un tirant en béton armé ainsi que le creusement et la consolidation poroviscoplastique d’une galerie souterraine destinée au stockage profond de déchets radioactifs. Pour cette dernière application, la prise en compte de l’anisotropie induite par la fissuration sur le tenseur de Biot est considérée via une loi issue de l’homogénéisation. Les résultats fournis par ce modèle sont confrontés aux mesures expérimentales in situ. / Cracking in structures significantly affects their durability, water transfer and ultimately their safety. This structural disorder provides a preferential path for the penetration of fluids and contributes significantly to the deterioration of structures. This work provides a macroscopic model intended to predict the change of permeability with respect to cracking. The proposed development is implemented within an orthotropic damage model. It assumes an initially isotropic permeability tensor which becomes anisotropic with damage. The objectivity of the hydraulic response with respect to the finite element mesh is ensured by considering the crack localization problem when building the permeability tensor. The model was used to simulate the flow rate through a reinforced concrete element subjected to tensile loading, as well as to simulate the excavation and the poro-visco-plastic consolidation of an underground gallery designed to store radioactive waste. For the latter application, the induced anisotropy of Biot’s tensor was taken into account using the results provided by the homogenization theory. The simulation results were compared with experimental measurements.

Les films minces déposés sur des substrats flexibles ont été intensivement étudiés ces dernières années en raison de leur nombreuses applications en électronique flexible. Depuis peu, l'électronique flexible est étendu aux matériaux magnétiques conduisant ainsi au domaine émergeant de la magnéto-électronique flexible actuellement à l'avant garde des sujets de recherche de la spintronique. Ce travail de thèse est dédié à l'étude des propriétés magnéto-mécaniques de films minces magnétiques (Ni, NiFe, Co2FeAl, CoFeB, FeCuNbSi) sur des substrats flexibles. Les analyses structurales ont montré que les films de Ni et de CFA sont polycristallins non-texturés ; le CFB est amorphe. Par conséquent, les propriétés élastiques et magnéto-élastiques de ces films sont considérées comme étant isotropes. Une technique basée sur une utilisation conjointe d'essai mécanique, la résonance ferromagnétique (FMR) et la corrélation d'images numériques (CIN) a été développée pour étudier les propriétés magnéto-mécaniques de films minces sur substrats flexibles. A l'aide de cette méthode, il est possible de suivre l'évolution de l'anisotropie résiduelle omniprésente dans les films magnétiques sur substrats flexibles. Cette anisotropie est liée aux propriétés mécaniques contrastées lorsqu'on dépose un film mince rigide (grand module d'Young) sur un substrat flexible (petit module d'Young). L'effet du recuit sur les propriétés élastiques et magnéto-élastiques a été soigneusement étudié dans le film CFB validant ainsi l'intérêt porté à ses alliages pour des applications en spintronique. Enfin, la résonance ferromagnétique est employé en balayage en fréquence pour suivre la variation de la direction de l'aimantation en fonction des déformations induites par l'application de tension électrique sur l'actionneur piézoélectrique. Un retournement de 90° de la direction de l'aimantation dans le film Co2FeAl sur substrat flexible de Kapton® est observé. / Thin films deposited on flexible substrates have been widely studied in the last decades due to the numerous applications in flexible electronics. Recently, flexible electronics have been extended to magnetic materials leading to the so-called emerging feld of flexible magnetoelectronics which is actually at the cutting-edge of spintronics research topics.This thesis is devoted to the study magnetomechanical properties of magnetic thin films (Ni, NiFe, Co2FeAl, CoFeB, FeCuNbSi) on flexible substrates. Structural analysis have 130 Abstracts hown that the Ni and CFA films are found to be polycrystalline with no strong preferred orientations ; the CFB film is amorphous. Consequently, the elastic and magnetoelastic properties are isotropic. For the study of the magnetomechanical properties, a set-up based on a jointly use of deformation test (bending or piezoactuation), ferromagnetic resonance (FMR) and digital image correlation (DIC) have been developped. Thanks to this method, it is possible to follow the evolution of the inescapable residual anisotropy encountered in magnetic thin films on flexible substrates under deformation and to determine the effective coefficient of magnetostriction of the films (sometimes unknown).This residual anisotropy is ascribed to contrasted mechanical strength when a sti thin film is deposited on a compliant substrate. The effect of the annealing temperature on the elastic and magnetoelastic have been studied carefully in CFB validating then theinterest on such alloys for spintronics applications. Finally, we have employed FMR inits sweep frequency mode to study the effective evolution of magnetization direction as function of the voltage-induced strains. A 90-degree magnetization rotation in Co2FeAl thin film on Kapton® polyimide substrate is observed.

Les nanomatériaux magnétiques sont des matériaux prometteurs en raison de leurs applications potentielles dans l'enregistrement magnétique à haute densité. C’est dans ce contexte que nous avons développé la première synthèse mono-tope de nanocristaux (NCs) de cobalt de forme sphérique et de structure hexagonale-compact (hc), ferromagnétiques à température ambiante. La stratégie suivie est basée sur la simple combinaison de l’oléylamine et du précurseur organométallique de cobalt [CoCl(PPh3)3]. Nous avons mis évidence que la variation de la quantité de précurseur favorise le contrôle de la taille des NCs et obtenu des NCs sphériques de 9,2 nm, 7,8 nm et 2,5 nm de diamètre avec une faible polydispersité. De plus, la modification des temps de réaction a permis de contrôler la forme des NCs et de réaliser une transition de morphologie des sphères vers des nanobâtons hc. Ainsi, la variation d’autres paramètres, comme la quantité d’amine et la température, a conduit au mécanisme réactionnel se produisant lors de la formation de NCs de cobalt, mécanisme gouverné par la réaction de dismutation du précurseur Co(I). Ce protocole de synthèse monotope a ensuite été étendu à l’élaboration d’autres NCs mono et bimétalliques (platine, palladium et les alliages CoPt). En variant la quantité du précurseur [CoCl(PPh3)3], différentes morphologies de NCs de platine, de palladium et des nanoalliages de CO33Pt67 ont été obtenues. Par ailleurs, par recuit dirigé de nanoparticules de Co50Pt50 dans des nanopores d’une membrane d’alumine (Al2O3), des nanofils de CoPt équi-atomiques avec une forte anisotropie magnétique ont été élaborés. Pour cela, nous avons détourné le phénomène de coalescence des NCs lors de recuit haute température. / Magnetic nanomaterials are promising materials due to their potential applications in high density magnetic recording. This is in this context that we have developed the first one-pot synthesis of spherical hcp cobalt nanocrystals (NCs), ferromagnetic at room temperature. The followed strategy is based on the simple combination of oleylamine and an organometallic cobalt precursor [CoCl(PPh3)3]. Thus, variation of the precursor amount has allowed to control the NCs size and to obtain spherical NCs of 9.2 nm, 7.8 nm and 2.5 nm in diameter with a low polydispersity. The change of reaction times has led to control of the NCs shape in order to get a morphology transition from spheres towards hcp nanorods. Subsequently, an experimental study based on the variation of several parameters, namely, the amine and the temperature, has highlighted a reaction mechanism of cobalt NCs formation, governed by the disproportionation reaction of the Co(I) precursor. The one-pot synthesis procedure was then extended to the development of other mono and bi-metal NCs (platinum, palladium and CoPt alloys). Then, by varying the amount [CoCl(PPh3)3].precursor, different morphologies of platinum NCs and palladium, and similarly, CO33Pt67 nanoalloys, have been obtained. Another strategy was followed to develop equi-atomic CoPt nanowires, with a high magnetic anisotropy, by annealing of Co50Pt50 nanoparticles in nanopores of alumina membrane (Al2O3). For this, we diverted the NCs coalescence during the annealing time.

L’objectif de ce travail de thèse est de prendre en compte à la fois l’hétérogénéité, l’anisotropie et des incertitudes dans la simulation 3D de la propagation d’ondes élastiques. Pour ce faire, dans un premier temps, on modélise le champ de propriétés mécaniques, ici le champ de tenseur d’élasticité, par un modèle de champ stochastique 3D des matrices définie-positives. La construction de ce modèle de champ est essentiellement fondée sur celle de Soize [2008]. Notre modèle conserve ainsi les propriétés principales du modèle de Soize comme le paramétrage minimal contrôlant l’amplitude de la fluctuation et la taille caractéristique de la variabilités patiale, le comportement local a priori arbitrairement anisotrope (anisotropie triclinique) et les propriétés mathématiques fondamentales. De plus, un nouveau paramètre est introduit dans ce modèle pour imposer un niveau d’anisotropie moyen souhaité. Dans un deuxième temps, on effectue des adaptations du code de calcul d’éléments finis spectraux, à savoir le code parallèle SPEC3D, afin d’une part de générer les réalisations du champ stochastique du tenseur d’élasticité et d’autre part de prendre en compte l’anisotropie dans la résolution numérique du problème élastodynamique. Des études paramétriques utilisant SPEC3D sont ensuite réalisées mettant en évidence les influences de l’anisotropie et des paramètres d’hétérogénéité sur la propagation d’ondes sismiques. En particulier, elles démontrent une dépendance directe entre la longueur de corrélation du champ de propriétés et le temps caractéristique d’apparition de la diffusion. Ce régime se manifeste par l’équipartition d’énergie entre les mouvements irrotationnels et rotationnels. / The aim of this thesis is to take into account the heterogeneity, the anisotropy and the uncertainties within 3D numerical simulation of elastic waves propagation. Firstly, the elasticity tensor field is modeled by means of a stochastic tensor-valued field. Its construction is generalized from the model of Soize [2008]. Hence, our model preserves principle properties of the former : a small set of parameters controlling the whole dispersion and the characteristic size of spatial variability, a local behavior being a priori arbitrary anisotropic (triclinic anisotropy) andothers essential mathematical properties. Moreover, a new parameter is added in order to impose a desired anisotropy mean level. Secondly, we carry out adaptations of an existing spectral finite elements-based elastic waves simulation software, namely the SPEC3D parallel computing code. On the one hand a sample generator of the elasticity random field model is implemented and on the other hand anisotropic material behavior is introduced in the elastodynamic solver. Finally, numerical parametric studies are performed using SPEC3D highlighting influences of heterogeneity and anisotropy on elastic waves behavior. In particular, it is observed that the characteristic time beyond which a multiple scattering pattern can be approximated by a diffusion regime directly depends on the correlation length of elasticity tensor field model. This time is detected by an energy equipartition between rotational and irrotational movements.

Singularly perturbed reaction-diffusion problems exhibit in general solutions with anisotropic features, e.g. strong boundary and/or interior layers. This anisotropy is reflected in the discretization by using meshes with anisotropic elements. The quality of the numerical solution rests on the robustness of the a posteriori error estimator with respect to both the perturbation parameters of the problem and the anisotropy of the mesh. An estimator that has shown to be one of the most reliable for reaction-diffusion problem is the <i>equilibrated residual method</i> and its modification done by Ainsworth and Babuška for singularly perturbed problem. However, even the modified method is not robust in the case of anisotropic meshes. The present work modifies the equilibrated residual method for anisotropic meshes. The resulting error estimator is equivalent to the equilibrated residual method in the case of isotropic meshes and is proved to be robust on anisotropic meshes as well. A numerical example confirms the theory.

A singularly perturbed reaction diffusion problem is considered. The small diffusion coefficient generically leads to solutions with boundary layers. The problem is discretized by a vertex-centered finite volume method. The anisotropy of the solution is reflected by using \emph{anisotropic meshes} which can improve the accuracy of the discretization considerably. The main focus is on \emph{a posteriori} error estimation. A residual type error estimator is proposed and rigorously analysed. It is shown to be robust with respect to the small perturbation parameter. The estimator is also robust with respect to the mesh anisotropy as long as the anisotropic mesh sufficiently reflects the anisotropy of the solution (which is almost always the case for sensible discretizations). Altogether, reliable and efficient \emph{a posteriori} error estimation is achieved for the finite volume method on anisotropic meshes.

Dans le cadre de cette étude, l’influence de la pré-déformation sur l’anisotropie du comportement plastique et sur la ténacité d’un acier API X100 pour pipeline a été abordée. Une étude expérimentale approfondie de la microstructure, des propriétés mécaniques et de l’endommagement du matériaux a été mise en oeuvre. Un modèle phénoménologique anisotrope combinant les écrouissagesisotrope et cinématique a été développé dans l’objectif de rendre compte du comportement ductile de cet acier à haute résistance. De plus, un modèle d’endommagement anisotrope a été établi pour représenter l’effet de pré-déformation sur la ductilité et la ténacité de cet acier. L’application des modèles à la flexion sous contrainte illustre, par exemple, l’effet négatif de la pré-déformation sur la charge limite (Moment de flexion maximum) supportée avant flambement du pipe. / In this thesis the influence of prestrain on anisotropic ductility and fracture toughness has been evaluated for API grade X100 line pipe steel. A omprehensive experimental investigation of microstructure, mechanical properties and fracture mechanisms has been carried out. A phenomenological model combining isotropic and kinematic hardening with anisotropic yield function has been developed, in order to represent anisotropic hardening behavior of the high strength steel. Additionally, a damage model incorporating anisotropic damage has been established for representation of prestrain effect on ductility and toughness of the X100 steel. The developed models could predict the bending capacity and the ductile fracture toughness of the cold-formed line pipes.