Les radicaux OH et HO2 sont des espèces réactives majeures dans de nombreux environnements et les processus chimiques dans lesquels ils sont impliqués sont multiples et complexes. Dans l’atmosphère, OH est le principal oxydant le jour et HO2 lui est fortement lié. OH a également été mesuré récemment en air intérieur, ce qui met en évidence la présence d'une réactivité rapide, potentielle source de polluants secondaires, dans les bâtiments. En combustion, OH et HO2 sont également au cœur de la réactivité. Afin de mieux comprendre les processus chimiques impliquant ces radicaux et par conséquent la formation des polluants dans ces domaines d’application, le dispositif mobile FAGE (Fluorescence Assay by Gas Expansion) a été utilisé lors de cette thèse. Cette technique permet de caractériser OH et HO2 en combinant des mesures de concentration et de temps de vie (réactivité de OH) avec une haute sensibilité et sélectivité ainsi qu’une grande résolution temporelle. Elle est basée sur la détection des radicaux OH et HO2 (après conversion en OH par ajout de NO) par Fluorescence Induite par Laser (LIF) haute cadence après expansion gazeuse et adaptée pour des mesures de réactivité de OH par couplage avec une cellule de photolyse (pump-probe FAGE). Une campagne de mesure, réalisée sur le campus de Lille 1 a permis d’étudier la variation de la réactivité en milieu urbain. Deux campagnes de mesure ont été réalisées en air intérieur pour la mesure de la réactivité de OH et la quantification de OH et HO2. Le dispositif FAGE a également été utilisé pour la première fois pour l'étude de la chimie de la combustion dans un réacteur parfaitement agité (Jet-Stirred Reactor : JSR). / OH and HO2 radicals are major reactive species in many environments and the chemical processes in which they are involved are numerous and complex. In the atmosphere, OH is the main oxidant during the day and HO2 is strongly linked to it. OH has also been measured recently in indoor air; highlighting the presence of a rapid reactivity and therefore a potential source of secondary pollutants in buildings. In combustion, OH and HO2 are also important for the reactivity. To better understand chemical processes involving these radicals and consequently the formation of pollutants in these fields of application, the mobile device FAGE (Fluorescence Assay by Gas Expansion) has been used in this thesis. This technique allows characterizing OH and HO2 by combining concentration and lifetime (OH reactivity) measurements with a high sensitivity, selectivity and temporal resolution. It is based on the detection of OH and HO2 radicals by Laser Induced Fluorescence (LIF) at a high repetition after gas expansion. It is adapted for OH reactivity measurements by the coupling of a photolysis cell (pump-probe FAGE). A field campaign, performed on the Lille 1 campus, allowed the study of the variation of the reactivity in an urban environment. Two field campaigns were performed in indoor air to both measure OH reactivity and quantify OH and HO2. The FAGE device was also used for the first time in the field of combustion chemistry, by coupling it to a Jet-Stirred Reactor (JSR).

La nécessité de réduire la formation de polluants tels que les oxydes d’azote et les particules de suie a conduit à étendre le domaine paramétrique des moteurs à combustion interne vers des mélanges en carburant plus pauvres et des températures de flamme moins élevées. Ces modifications entraînent des instabilités de combustion, qui pourraient être considérablement réduites grâce à la mise en œuvre contrôlée de décharges nanosecondes "ou plasma froids", qui suscitent un intérêt grandissant. L’étude réalisée dans ce mémoire s’inscrit dans un contexte original de combustion basse température assistée par plasma froid et a impliqué la collaboration entre le laboratoire Physicochimie des Processus de Combustion de l’Atmosphère de l’Université de Lille et le Laboratoire de Physique des Plasmas de l’Ecole Polytechnique de Palaiseau. Lors de ces travaux, une décharge nanoseconde à barrière diélectrique (DBD) a été utilisée dans le but d’initier la combustion pour des pressions comprises entre 1 et 19 bar au sein de la Machine à Compression Rapide (MCR) de Lille. Les expériences ont été effectuées pour différents carburants (méthane, n-butane, n-heptane) dilués dans de l’argon et du diazote afin d’atteindre des températures de cœur comprises entre 620 et 1000K. L’imagerie de l’émission de la décharge à barrière diélectrique, réalisée au moyen d’une caméra intensifiée, montre que la morphologie de la décharge dépend de la pression, avec une transition entre une décharge volumétrique à basse pression vers une décharge surfacique à haute pression. Pour le méthane et le n-butane, une réduction significative du délai d’inflammation a été observée quand la tension à l’électrode est supérieure à une tension seuil. En dessous de cette tension seuil le système a le même comportement que lors d’une auto-inflammation. L’effet de la tension à l’électrode (amplitude et polarité) sur le délai d’inflammation a aussi été étudié. Dans ces conditions plus l’énergie déposée augmente plus la vitesse de dégagement de chaleur augmente. Ces résultats ont été comparés à ceux obtenus par imagerie rapide et ont montré la propagation d’un front de flamme de l’électrode vers le piston. Dans le cas du n-heptane, on constate que lorsque l’énergie déposée par la décharge augmente, trois régimes se succèdent : à basse énergie le mélange ne subit aucune inflammation, puis un régime présentant une flamme froide induite par plasma sans inflammation est obtenu pour des tensions comprises entre 34 et 42 kV, enfin une inflammation rapide est observée pour les plus hautes énergies. Une comparaison des espèces chimiques formées dans une flamme froide spontanée et une flamme froide induite par plasma a été effectuée. Le prélèvement et l’analyse GC/MS des intermédiaires stables produit durant la flamme froide montre une similitude entre les produits formés entre les deux cas. / In order to reduce the emission of pollutants in conventional engines, lean mixtures and low temperature conditions can be used. In this context, plasma discharges are very attractive in the purpose of ignition and flame stabilization. Non thermal plasma generated radicals, excited atoms and molecules, and charged particles can stimulate the chemistry leading to ignition.A nanosecond dielectric barrier discharge (DBD) was used to initiate combustion at moderate to high pressures in a Rapid Compression Machine (RCM) at the University of Lille. The discharge has a quasi-uniform radial geometry and was located in the proximity of the end plate of the combustion chamber of the RCM. Experiments were performed for methane, n-butane and n-heptane/O2 mixtures diluted by Ar or N2 for core gas temperatures at the end of compression respectively ranging from 620 to 1000 K. The imaging of the nanosecond dielectric barrier discharge emission using an intensified camera shows that the morphology of the discharge depends on the pressure, with a smooth transition from a volumetric discharge bridging the gap between the electrode and the piston, to surfacic discharge in the vicinity of the electrode. For the experiments carried out with methane and n-butane containing mixtures, a significant decrease of the ignition delay time is observed when the discharge voltage reaches a given value. Under this value, the system behaves as in the autoignition (AI) conditions. The existence of a minimal ignition voltage depending on the initial conditions was therefore demonstrated. The effect of the voltage (amplitude and polarity) on the electrode on the ignition delay for plasma assisted ignition (PAI) was studied. Under these conditions, it was shown that when the deposited energy increases, the heat release rate increases. These results were correlated with high speed imaging experiments, showing the propagation of the flame front from the electrode towards the piston.For n-heptane mixtures, a modification of the ignition behavior by the discharge has been demonstrated. When the discharge energy increases, the reactive system evolves from a situation where no ignition is observed, to a plasma induced cool flame occurring tens of ms after the discharge and finally, to fast ignition as in the other mixtures at high energy values. A comparison between spontaneous cool flame and plasma assisted cool flame has also been performed. Gas sampling and GC/MS analyzing of the intermediate stable species produced during the cool flame show that no new species were formed in the case of plasma assisted cool flame.

Les observations de microscopie électronique in situ effectuées par Daniel Caillard (CEMES, Toulouse) au cours de la déformation de cristaux de symétrie cubique centrée ont montré que les dislocations vis effectuaient des sauts de plusieurs distances inter-atomiques alors que la théorie standard de Peierls prédit des sauts de une seul distance inter-atomique. Nous avons étudié par simulation atomique le glissement d'une dislocation vis dans un cristal de fer pure. Nous montrons que la propagation de décrochement le long de la dislocation induit un échauffement local qui favorise la nucléation de décrochements supplémentaires. L'accumulation de ces décrochements permet à la dislocation de parcourir plusieurs distances inter-atomiques. Ces simulations nous permettent de proposer une théorie pour l'explication des observations de D. Caillard. / In situ straining tests in high purity α-Fe thin-foils at low temperatures have demonstrated that crystalline defects, called dislocations, have a jerky type of motion made of intermittent long jumps of several nanometers. Such an observation is in conflict with the standard Peierls mechanism for plastic deformation in bcc crystals, where the screw dislocation jumps are limited by inter-reticular distances, i.e. of a few Angstroms. Employing atomic-scale simulations, we show that although the short jumps are initially more favorable, their realization requires the propagation of a kinked profile along the dislocation line which yields coherent atomic vibrations acting as traveling thermal spikes. Such local heat bursts favor the thermally assisted nucleation of new kinks in the wake of primary ones. The accumulation of new kinks leads to long dislocation jumps like those observed experimentally. Our study constitutes an important step toward predictive atomic-scale theory for materials deformation.

Les matériaux à électrons fortement corrélés comptent parmi les systèmes les plus intrigants en raison de la richesse de leurs propriétés remarquables découvertes au cours de ces dernières décen nies telles que la supraconductivité haute Tc, la magnétorésistance colossale ou les conducteurs organiques. Lors de cette thèse, deux types de matériaux fortement corrélés récents ont été étudiés la quadruple pérovskite EuCu3fe4O12 et les conducteurs organiques type {Au(Et-thiazdt)2]. Le premier système présente une transition métal isolant à basse température (240K) tandis que le second transite isolant de MoU - métal sous pression. Grâce à des mesures de microspectroscopie infrarouge en conditions extrêmes, nous avons pu sonder l’électrodynamique de basse énergie de ces composés. Des calculs ab-initio de structure électronique nous ont alors permis de comprendre les mécanismes à l’origine des observations et de mieux connaître le rôle des corrélations électroniques. / Materials with strongly correlated electrons belong to the most intriguing systems in condensed matter physics due to their great variety of properties discovered during the last decades such as high temperature superconductivity, molecular conductors and colossal magnetoresistance. During this thesis, two types of strongly correlated materials have been studied: the quadruple perovskite EuCu3fe4Oi2 and the molecular conductors [Au(Et-thiazdt)2J. EuCu3Fe4Oi2 undergoes a metal to insulator transition at low temperature (240K), and [Au(Et-thiazdt)2J goes from a Mott insulator to a correlated metal state under high pressure. Infrared microspectroscopy measurements allowed us to probe the low energy electrodynamic of these systems. Ab-initio calculations were also used to understand the mechanisms of the transitions and the role of electronic correlations in the material.

Le disulfure de molybdène, MoS2, est un composé lamellaire de la famille des dichalcogénures de métaux de transition utilisé depuis près d'un siècle comme lubrifiant solide et catalyseur d'hydrotraitement. Depuis la découverte en 2010 de ses propriétés de photoluminescence et de conduction (semiconducteur possédant un gap direct) lorsqu'il est isolé à l'état d'une seule monocouche, ce nouveau matériau 2D a suscité un intérêt croissant au sein de la communauté scientifique et permis d'envisager de nombreuses applications dans le domaine de l'énergie ou pour la réalisation de composants électroniques. Au-delà du disulfure de molybdène, cette découverte s'étend également à d'autres dichalcogénures (WS2, NbS2, MoSe2, WSe2,…) dont la combinaison des propriétés avec celles d'autres matériaux 2D déjà connus (graphène, h-BN,…) offre encore d'avantage de possibilités. Aujourd'hui, la réalisation de nombreux prototypes en laboratoire, principalement assemblés à partir de monocouches exfoliées, a pu démontrer le potentiel applicatif de ces matériaux, justifiant la nécessité de mettre au point des méthodes de synthèse qui permettront l'élaboration de dichalcogénures 2D à une échelle industrielle.Dans ce contexte, où semble actuellement être privilégié le développement de procédés de CVD à très haute température nécessitant des temps de croissance élevés et l'utilisation de substrats épitaxiés, nous avons décidé d'évaluer le potentiel d'une approche à basse température par des méthodes de dépôt en phase vapeur sur silice amorphe. Ce travail nous a ainsi permis d'identifier plusieurs couples de précurseurs pouvant se prêter au dépôt par CVD ou par ALD de couches minces amorphes de sulfure de molybdène ou de tungstène à moins de 250°C, puis de démontrer leur capacité à se réorganiser en monocouches de MoS2 et WS2 cristallines par un simple recuit thermique sous atmosphère inerte / MoS2, a transition metal dichalcogenide (TMD) possessing a mica-like layered structure, has been widely used over the past century as solid lubricant and hydrotreating catalyst. Since 2010, the discovery of new semiconducting (direct gap) and photoluminescence properties emerging in monolayer MoS2 has attracted much interest, with a wide range of potentialities for next-generation electronics or energy storage devices. Beyond MoS2, this discovery also concerns other TMDs (WS2, NbS2, MoSe2, WSe2,…), displaying a wide variety of electronic and optical properties, and whose combination with other 2D materials (graphene, BN,…) offers outstanding opportunities. While exfoliated materials have provided a convenient way to demonstrate the feasibility of proof-of-concept-devices, the development of reliable synthesis methods allowing the industrial production of monolayer TMDs has now to be investigated.In this booming research field, currently dominated by high-temperature CVD processes which are time-consuming and often require the use of epitaxial substrates, we investigated the potentiality of a low-temperature chemical vapor deposition approach on amorphous SiO2 substrates. This work allowed us to identify suitable precursors for the CVD or ALD of ultrathin amorphous molybdenum or tungsten sulfide deposits below 250°C, and to point out their ability to self-reorganize into crystalline MoS2 and WS2 monolayers upon thermal annealing

Une solution au problème astrophysique de la matière sombre pourrait être apportée par la détection de WIMPs, particules prédites par la supersymétrie. Sa détection directe nécessite de grandes masses de détecteurs capables d'identifier le signal d'un WIMP parmi le fond radioactif et cosmique environnant. Cette thèse se déroule dans le cadre de l'expérience EDELWEISS et la future expérience EURECA qui lui succédera. Ces expériences utilisent une technologie basée sur des détecteurs cryogéniques (bolomètres) à double voies, fonctionnant à quelques dizaines de mK. Ils sont constitués de cristaux qui sont le siège des interactions des particules, dont les dépôts d'énergie vont entraîner une élévation de température ainsi que l'ionisation du cristal, pouvant entraîner des charges ou des photons selon sa nature. Afin d'augmenter la palette de cibles pouvant faire office de bolomètres scintillants, nous avons mis en place un dispositif expérimental permettant d'étudier la scintillation de cristaux refroidis jusqu'à 3 K. Il est basé sur un cryostat à géométrie optique compacte permettant une collecte de lumière améliorée. Une méthode de comptage de photons individuels ainsi qu'un traitement statistique des données permettent de mesurer l'évolution du rendement lumineux et des constantes de temps de scintillation de cristaux entre la température ambiante et 3K. Cette thèse présente ainsi les résultats obtenus à 3 K avec ce dispositif expérimental sur deux cristaux, bien connus à température ambiante: le BGO (Bi4Ge3O12) et le BaF2. Nous présentons également les résultats sur la luminescence du saphir dopé au titane (Ti:Al2O3), sous VUV et refroidi à 8 K. / A solution to the dark matter problem in astrophysics could be found by the detection of WIMPs, particles predicted by supersymmetry. Its direct detection requires a large mass of detectors, able to identify WIMPs in the background of natural radioactivity and cosmic rays. This thesis takes place within the framework of the EDELWEISS and the future EURECA experiments. These experiments use a technology based on two channel cryogenic detectors (bolometers), working at a few tens of mK. They are made of crystals in which the energy deposited by particle interactions will produce a temperature increase (phonon signal), and where the ionization of the crystals results in either a charge or photon signal, depending on their nature. In order to broaden the range of targets for scintillating bolometers, we have built a setup to study the scintillation of crystals cooled down to 3 K. It is based on a cryostat with a compact optical geometry allowing enhanced light collection. Thanks to an individual photon counting technique and a statistical treatment of data, it allows us to measure the evolution of the the light yields and the decay time components between room temperature and 3 K. Thus this thesis presents the results obtained at 3 K on two well known room temperature crystals: BGO (Bi4Ge3O12) and BaF2. We also study the luminescence properties of titanium sapphire (Ti:Al2O3), under VUV excitation cooled down to 8 K.

L'intégration 3D fait actuellement figure d'alternative potentielle à la simple réduction des dimensions pour maintenir l'augmentation de la densité des circuits intégrés, principal moteur de l'industrie microélectronique depuis 40 ans. Cette thèse porte sur l'intégration à trois dimensions séquentielle où les transistors des différents niveaux sont fabriqués les uns après les autres sur un même substrat. La difficulté majeure de ce type d'intégration est la réalisation des niveaux de transistors supérieurs à bas budget thermique afin de préserver le niveau de transistor inférieur de toute dégradation. Dans cette thèse nous démontrons des cellules 3D fonctionnelles (inverseurs, SRAM) à cheval sur les deux niveaux. Plusieurs originalités par rapport à l'état de l'art, tel que : le développement de la brique siliciuration stable en température pour le FET inférieur, la réalisation de la zone active supérieur via un transfert par collage moléculaire et le développement de FET supérieur à bas budget thermique inférieur à 650°C sont démontrées Une deuxième partie de la thèse est consacrée à l'identification des applications de cette intégration. Dans le cas d'applications logiques, nous analysons conjointement les perspectives de gain en densité, performance et coût. D'autres applications comme les mémoires SRAMs, FLASH et les imageurs faiblement miniaturisés apparaissent comme des marchés potentiels pour cette intégration. L'intérêt de l'utilisation du couplage entre les transistors empilés permettant de modifier dynamiquement la tension de seuil du transistor supérieur est démontré par la conception de cellules SRAMs à stabilité améliorée.

Dans cette thèse, on discute l'influence de l'environnement sur un petit système quantique à basse température dans le cadre d'un modèle très simple : un oscillateur harmonique ("la particule") couplé à un bain d'oscillateurs harmoniques ("l'environnement"). Tout d'abord, on étudie l'état d'équilibre du système total en utilisant la "méthode de la résolvante réduite", courante en théorie spectrale. Elle permet de calculer et de discuter sous un angle nouveau l'opérateur densité réduit de la particule, déjà connu. À basse température, la particule subit des effets thermiques effectifs résultant de son intrication avec l'environnement. Ensuite, toujours grâce à la méthode de la résolvante réduite, on étudie l'évolution quantique exacte de l'opérateur densité réduit de la particule : celui-ci converge vers l'état d'équilibre, malgré l'évolution unitaire du système total. Ces résultats se transposent naturellement aux circuits électriques quantiques. Avec le même formalisme on étudie le couplage capacitif d'un système mécanique (un oscillateur harmonique) à un environnement électrique (une résistance). Sur base de ces discussions, on propose un dispositif expérimental permettant d'étudier les effets d'un environnement électrique contrôlé sur une particule chargée. On montre que la longueur de cohérence spatiale de celle-ci est réduite à cause du couplage entre la particule et l'environnement : L'effet persiste même à basse température et il est d'autant plus important que le couplage avec l'environnement est fort.

À l'heure où les préoccupations climatiques sont plus que jamais d'actualité, les problématiques du contrôle, de la gestion et de l'économie de l'énergie prennent une importance considérable dans notre société. Dans le secteur avionique, cela peut se traduire par une nécessité de réduction du poids des aéronefs afin d'économiser le kérosène consommé durant le vol, résultant au final à une réduction drastique d'émission de CO². En adéquation avec les problématiques d'économie d'énergie l'avion plus électrique crée depuis quelques années un nouvel engouement dans le monde aéronautique pour l'actionnement tout électrique. La refonte des systèmes actuels (hydrauliques, mécaniques, pneumatiques) vers des systèmes plus électriques permet de plus de diminuer les coûts de maintenance des équipements et d'augmenter la fiabilité globale des systèmes, en s'affranchissant par exemple des problèmes fluidiques liés à l'hydraulique. Plusieurs projets ont été fédérés autour de ce nouvel élan dont le projet ModErNe dans le cadre duquel les travaux présentés tout au long de ce mémoire de thèse ont été réalisés. La mise en place dans un aéronef de nouveaux dispositifs électroniques de puissance nécessite une parfaite connaissance du comportement des composants notamment sous environnement thermique extrême. Cela permet de dimensionner des systèmes haute puissance et haute température optimisés et sécurisés. La technologie SiC n'étant pas suffisamment mature au lancement du projet ModErNe, celui-ci a eu pour postulat l'utilisation de composants IGBT silicium. L'un des objectifs principaux de ces travaux est alors l'étude par la caractérisation du comportement des IGBT dans une gamme de température allant au-delà de celle établie par les fondeurs (-55°C à +175°C). Ces travaux décrivent ainsi la conception, la réalisation et la mise en place d'un banc de caractérisation électrique en température, de véhicules de test et la procédure de tests utilisée. Un second objectif essentiel de ces travaux se situe au niveau du prototypage virtuel. La modélisation et l'analyse des systèmes sont aujourd'hui incontournables afin d'éviter au maximum les défaillances qui peuvent mettre en danger des fonctions élaborées comme celles liées à la sécurité. Dans ces travaux de thèse nous modélisons le dispositif choisi afin de déterminer par simulation son comportement électrique sous l'influence de conditions de fonctionnement environnementales thermiques sévères. À l'aide d'une analogie électrique l'Équation de Diffusion Ambipolaire est résolu analytiquement pour fournir un modèle (1D) précis et complet de composants de puissance. Une confrontation simulation/ données constructeurs/ mesures expérimentales ouvre une discussion sur l'identification de l'Injection Enhanced effect : un phénomène physique permettant d'améliorer considérablement les performances statiques des composants IGBT, et présent dans certains IGBT selon une configuration structurelle particulière.

Des apatites nanocristallines biomimétiques (ANB), de formule Ca10-x-Z(PO4)6-x(HPO4)x(OH)2-x-2Z, (H2O)n, ont été synthétisées par précipitation en milieu aqueux puis consolidées par frittage flash (Spark Plasma Sintering, SPS). Elles sont composées de nanocristaux munis d'un coeur apatitique entouré d'une couche phosphocalcique hydratée de surface contenant des ions phosphate, hydrogénophosphate et calcium "non-apatitiques" mobiles et facilement échangeables, qui leur confère une forte réactivité. La composition chimique, la structure et la morphologie des nanocristaux synthétisés évoluent avec le vieillissement en solution et ils tendent vers une plus grande stabilité thermodynamique. Bien que la teneur en espèces chimiques non-apatitiques diminue dans la couche hydratée, leur présence reste importante même après une longue maturation. Le procédé de frittage par SPS à basse température (150°C) de ces ANB a permis d'élaborer des céramiques poreuses fortement cohésives. Le phénomène de frittage ainsi observé suggère une consolidation de type "fusion cristalline" qui met à contribution la forte réactivité de surface des nanocristaux via leur couche hydratée de surface. Le module d'élasticité (12 à 35 GPa) et la résistance à la rupture en flexion (environ 10 MPa) de ces céramiques sont voisins de ceux du minéral osseux. De plus, la taille nanométrique des cristaux, bénéfique à la biorésorption après implantation en site osseux, et la présence d'espèces ioniques nonapatitiques mobiles favorable à la bioactivité sont préservées après SPS. Ces propriétés offrent aux céramiques d'ANB un potentiel particulièrement intéressant pour des applications en ingénierie tissulaire osseuse.