Som följd av den pågående urbaniseringen har de naturliga förutsättningarna för regn och smältvattnet att infiltrera i marken och återgå till sitt kretslopp på naturlig väg försvunnit i städerna. I Stockholm leds ungefär hälften av dagvattnet via VA-nätet direkt och orenat till reningsverken. Dagvattenflödet varierar kraftigt vilket orsakar toppar som överbelastar VAnätet  och är svåra för reningsverken att hantera. Istället för att ledas ut i VA-nätet ska dagvatten strävas efter att hanteras lokalt. Arbetet lägger fokus på dagvattenhanteringen för takparken på ett nybyggnadsprojekt i Stockholm, projektet PARK 1. Projektet ritas av White arkitekter och ska certifieras enligt BREEAM och där nå den högsta klassningen Outstanding. Hållbar användning av mark och vatten är därför en av de viktiga frågorna i detta projekt. Syftet med arbetet är att omarbeta ett gestaltningsförslag av PARK1´s takpark samt att presentera lösningar för dess dagvattenhantering. Detta utförs med hänsyn till framtida klimatförändringar och byggnadens vattenkretslopp samt samordning och tillgänglighet. Arbetet utförs främst genom litteraturstudier, men har också kompletterats genom samtal, diskussioner och studiebesök. AutoCAD, SketchUp och Photoshop används för att illustera den planerade parken samt dess växter, funktioner och konstruktionslösningar. Dimensioneringen av brunnar och stammar görs med hänsyn till 100-årsregn för att klara framtida klimatförändringar. Med hjälp av nederbördsstatistik beräknas sannolik nederbörd för parken, denna mängd motsvara det dagvatten som ska hanteras lokalt. Avrinningsytan går från att vara en parkeringsplats där allt dagvatten belastar VA-nätet till att bli en takpark där dagvattnet utnyttjas till bevattning och 25 procent av byggnadens WCspolning. Dagvattnet blir direkt på platsen omvandlat till spillvatten och som följd blir tillförseln till vatten- och avloppsnätet från byggnaden jämn och stabil och färskvattenförbrukningen sänks. / As a result of ongoing urbanization, natural conditions for rain and meltwater to infiltrate in the ground and regress to the natural water cycle have disappeared in cities. About half of the stormwater in Stockholm is transported through the municipal water sewerage system directly to sewage treatment works. The flow of stormwater varies vigorously, causing flow peaks that overburden the system and treatment works. The aim should be to handle and use the stormwater locally instead of releasing it to the system. The focus of this bachelor thesis is how stormwater from a soon to be built construction project in Stockholm can be handled. The project, PARK 1, is designed by the architectural  firm White Arkitekter and is set to be BREEAM certified and to reach the classification outstanding. Therefore, sustainable use of land and water resources is one of the key matters in the project. The purpose of the study is to rework a existing design proposal for the rooftop garden planed on PARK1 and present solutions for stormwater usage. Consideration must be taken to future climate changes, coordination among disciplines and accessibility. The work was conducted mainly through literature studies and complemented by discussions and site visits to reference projects. AutoCAD, SketchUp and Photoshop were used to illustrate plans and details of the park proposal with its plantations, activities and technical solutions. Estimations of the quantity of roof outlets and dimensions of vertical downpipes were made for 100-year rain conditions. Through quantitative analysis of precipitation statistics the expected precipitation were calculated. Which after runoff covers the irrigation needs of the  park and 25 percent of the water needed for flushing of the buildings WC:s. The runoff surface is altered from being a parking lot where all stormwater ends up in the municipal water sewerage, to a rooftop garden where all of the stormwater is handled locally. This allows stormwater to be transformed into wastewater on sight, thereby contributing to a steady flow in sewer pipes in addition to help lower the buildings fresh water consumption.

Die funktionsorientierte Messtechnik ist gegenwärtig für die Optimierung von Herstellung und Endbearbeitung thermisch gespritzter, tribologisch belasteter Kontakte unterrepräsentiert. Obwohl sich das Leitmotiv „Messen, Analysieren und Verbessern“ wie ein roter Fa-den durch gängige Standards (ISO/TS 16949, VDA 6.1, …) zieht, werden kaum effektive Verbesserungspotenziale identifiziert und industriell umgesetzt. In der Praxis wird vor allem die Stückzahl von fehlerbehafteten Teilen mittels statistischer Methoden gesteuert und geregelt (IPC 9199/DGQ-Band 16). Werden Fehlerzustandspopulationen in Softwaresystemen auf solche Weise identifiziert, verifiziert und mitigiert, so spricht man gem. IEC 62304 von Black-Box-Testing. Solange der Ertrag stimmt, steht die Zahl nicht zurückweisbarer Güter im Vordergrund und nicht, ob die Ereignisse im Produktentstehungsprozess beherrschten Regeln folgen. Im Gegensatz hierzu steht das sog. White-Box-Testing. Es bietet die Möglichkeit, Qualität nach DIN 55350 Teil 11 (sowie DIN ISO 9126) entlang aller Hilfs-, Stütz-, Wertschöpfungs- und Nutzungsvorgängen der Produkte konsistent zu behandeln. Das White-Box-Testing wird in der Fertigung von tribologischen Kontakten jedoch bisher nicht angewendet. In der vorliegenden Arbeit wird aufgezeigt, warum dieser Ansatz bei erstmaliger Implementierung zwar aufwändiger, umfassender Analysen bedarf, über das veränderte Leitmotiv im Gesamten jedoch die Erfolgsaussichten von Optimierungsinitiativen steigert. „Wie etwas Positives funktioniert“ wird dabei alternativ zur Frage, „wie etwas Schlechtes“ zu verhindern ist, behandelt. Über die Methodik hinaus werden konkrete Werk-zeuge vorgeschlagen, funktionsorientierte Konformitätszustände über den Fingerabdruck der Werkstoffbelastung zu identifizieren, in smarten und vernetzten Mess- und Prüfketten zu überwachen, zu regeln sowie mittels Leistungskennzahlen zu beurteilen.:1 EINLEITUNG UND MOTIVATION 1.1 Ausgangsituation 1.2 Allgemeine Bewertungskriterien der Zylinderlaufbahn 1.3 Beurteilungsformen fertigungstechnischer Aspekte 1.3.1 Verfahrensbeurteilung der Endbearbeitung und Herstellung 1.3.2 Beurteilung von Verfahrensanwendungen unter Gesichtspunkten industrieller Messtechnik 1.4 Zusamenfassung und Rezension existierender Konzepte zur Qualitätssicherung der technischen Oberfläche 2 FORSCHUNGSBEDARF UND THEMATISCHE EINGRENZUNG 2.1 Bestimmung des Untersuchungsgegenstandes 2.2 Problemstellung Anomalien thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen in Serie und Vorserie 2.2.1 Konsekutive Phänomene der Materialauftragungen sowie Mikrofresser in motorischer Belastung und vorheriger Endbearbeitung 2.2.2 Beeinflusste Materialparameter durch Endbearbeitung und Auswirkungen auf die Laufstabilität/ Fressneigung 2.2.3 Limitierung in der Anwendung und Deutung genormter Parameter industrieller Oberflächenmesstechnik 2.3 Hypothesen und theoretischer Ansatz 2.4 White-Box-Ansatz zur funktionsorientierten Herstellung und Endbearbeitung 3 UMFELDANALYSE ZUR METHODENENTWICKLUNG 3.1 Einordnung existierender theoretischer Modelle und Konzepte 3.2 Tribologische Systemgrößen Zylinderlaufbahn im Betrieb und während der Endbearbeitung 3.2.1 Reibungsszustände 3.2.2 Verschleißmechanismen und -kenngrößen 3.2.3 Schmierung 3.2.4 Nutz- und Verlustgrößen, Tribologische Prüfungen 3.3 Gegenwärtige Gestaltung und Ausführung der Zylinderlaufbahn 3.3.1 Zylinderlaufbahnkonzepte 3.3.2 Einfluss moderner Konzepte der Kolbengruppe und der Schmierung 3.3.3 Topographie und abgeleitete Endbearbeitungskonzepte 3.3.4 Honen von Zylinderbohrungen 3.4 Tribologie der Endbearbeitung als Schlüssel zu funktionsgerechten Oberflächen 3.4.1 Abtragsvorgänge beim Honen und Superfinishen 3.4.2 Oberflächenanalytik zur Beschreibung von Abtragsmechanismen 3.4.3 Kraftdynamik in der Endbearbeitung 3.4.4 Kombinierte Technologie: Sensitives-adaptives Honen und Superfinishen 3.5 Thermisches Spritzen von Zylinderlaufflächen 3.5.1 Vorgänge des Werkstoffauftrags im Zuge des Thermischen Spritzens 3.5.2 Lichtbogendrahtspritzen, LDS 3.5.3 Zerstäubung und Spritzstrahlausprägung 3.5.4 Auftreffen und Erstarrung der Spritzpartikel im Schichtverbund 3.6 Werkstoffintegrität der LDS-Spritzschicht 4 ABLEITUNG UND FESTLEGUNG FUNKTIONSRICHTIGER MESSSTRATEGIE 4.1 Begründung und Verwertung des White-Box-Testing-Ansatzes 4.2 Werkstoffparameter funktionaler Oberflächen 4.2.1 Struktureigenschaften und Festigkeit 4.2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften 4.3 Technische Oberfläche, lang- und kurzwellige Gestaltabweichungen 4.3.1 Skalenabhängige, geometrische Kontaktbedingungen 4.3.2 Meso- und Mikrokontakt der Zylinderlauffläche 4.4 Operationalisierung der Testhypothese 5 NUTZUNG MESSTECHNISCH RÜCKFÜHRBARER WECHSELWIRKUNGEN FÜR HERSTELLUNG UND ENDBEARBEITUNG 5.1 Funktionsorientierte, definierte Variation lokalisierter Fertigungsmerkmale 5.1.1 Endbearbeitung der Spritzschicht 5.1.2 Herstellung der Spritzschicht 5.1.3 Spezifikation und Verifikation varianter Merkmale der Laufbahn 5.2 Versuchseinrichtung und -bauteile zur Methodenentwicklung 5.2.1 Ausführung im Sinne des White-Box-Testings 5.2.2 Flachproben 5.2.3 Zylinder 6 ANWENDUNG FUNKTIONSORIENTIERTER WERKZEUGE IM QUALITÄTSREGELKREIS 6.1 Verifikationsstrategie 6.2 Spezifische Merkmale der Werkstoffbelastung in Fertigung und Tribometrie 6.3 Fehlerinduktion, -Verifikation und -Behandlungsroutine im geschlossenen Qualitätsregelkreis 6.3.1 Charakterisierung zuordbarer Zylinderlaufbahnperformanceabweichungen 6.3.2 Rückverfolgbare Messkette von tribologischer Belastung über die Endbearbeitung bis zur Herstellung 6.3.3 Werkstoffintegrität als Einflussgröße in der Endbearbeitung und Tribometrie 6.4 Ermittlung von Leistungskennzahlen während der Fertigung mit Auswirkung auf das Verhalten bei tribologischer Prüfung zur Qualitätsregelung 7 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN UND TABELLEN 10 ANHANG 10.1 Messtechnische Grundlagen, Stichwortverzeichnis 10.2 Oberflächenunvollkommenheiten nach DIN EN ISO 8785 10.3 Weiterführende Ergebnisse der Analyse von Oberflächenunvollkommenheiten 10.4 Ausgewählte Ergebnisse im Zuge der Zusammenarbeit und Veröffentlichung Hick et al. 2018 [336] (nicht in der Form veröffentlichtes Material) / Function-oriented measurement technology is currently underestimated when it comes to optimizing layer production and finishing of thermally sprayed, tribologically stressed contacts. Although the fundamental premise 'measure, analyse and improve' runs like a common thread through all the common standards (ISO/TS 16949, VDA 6.1, ...), hardly any effective improvement potentials are identified and realized with industrial profit. In today’s industrial applications, the number of defective parts is controlled and regulated using conventional statistical methods (IPC 9199/DGQ Volume 16). This is a so-called “black box testing” according to IEC 62304 when used at error management in software applications for identifaction, verification and mitigation. Finally, quantitative production output is focussed and not the inner operating system’s processes of the manufacturing system or interdependencies at product use. Opposite to this, the so-called “white box testing” alternatively focuses on the inner functioning of the processes and the quality of its results according to DIN 55350 Part 11 (as well as DIN ISO 9126) at each value-added process from production to product use on an equal footing. While this approach is more elaborate and demanding because of wide-ranging analysis, in the presented work it is demonstrated why it is more promising at holistic optimisations efforts in terms of the leitmotiv with the question 'how something positive works' versus the more conventional defensive recognized question 'how something bad can be prevented'. However, white box testing has not yet been used in manufacturing of tribological contacts. In addition to the methodology, concrete tools are proposed to identify function-oriented states of conformity via the fingerprint of the material load, to monitor and regulate them in smart, networked measurement and test chains using suitable performance indicators.:1 EINLEITUNG UND MOTIVATION 1.1 Ausgangsituation 1.2 Allgemeine Bewertungskriterien der Zylinderlaufbahn 1.3 Beurteilungsformen fertigungstechnischer Aspekte 1.3.1 Verfahrensbeurteilung der Endbearbeitung und Herstellung 1.3.2 Beurteilung von Verfahrensanwendungen unter Gesichtspunkten industrieller Messtechnik 1.4 Zusamenfassung und Rezension existierender Konzepte zur Qualitätssicherung der technischen Oberfläche 2 FORSCHUNGSBEDARF UND THEMATISCHE EINGRENZUNG 2.1 Bestimmung des Untersuchungsgegenstandes 2.2 Problemstellung Anomalien thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen in Serie und Vorserie 2.2.1 Konsekutive Phänomene der Materialauftragungen sowie Mikrofresser in motorischer Belastung und vorheriger Endbearbeitung 2.2.2 Beeinflusste Materialparameter durch Endbearbeitung und Auswirkungen auf die Laufstabilität/ Fressneigung 2.2.3 Limitierung in der Anwendung und Deutung genormter Parameter industrieller Oberflächenmesstechnik 2.3 Hypothesen und theoretischer Ansatz 2.4 White-Box-Ansatz zur funktionsorientierten Herstellung und Endbearbeitung 3 UMFELDANALYSE ZUR METHODENENTWICKLUNG 3.1 Einordnung existierender theoretischer Modelle und Konzepte 3.2 Tribologische Systemgrößen Zylinderlaufbahn im Betrieb und während der Endbearbeitung 3.2.1 Reibungsszustände 3.2.2 Verschleißmechanismen und -kenngrößen 3.2.3 Schmierung 3.2.4 Nutz- und Verlustgrößen, Tribologische Prüfungen 3.3 Gegenwärtige Gestaltung und Ausführung der Zylinderlaufbahn 3.3.1 Zylinderlaufbahnkonzepte 3.3.2 Einfluss moderner Konzepte der Kolbengruppe und der Schmierung 3.3.3 Topographie und abgeleitete Endbearbeitungskonzepte 3.3.4 Honen von Zylinderbohrungen 3.4 Tribologie der Endbearbeitung als Schlüssel zu funktionsgerechten Oberflächen 3.4.1 Abtragsvorgänge beim Honen und Superfinishen 3.4.2 Oberflächenanalytik zur Beschreibung von Abtragsmechanismen 3.4.3 Kraftdynamik in der Endbearbeitung 3.4.4 Kombinierte Technologie: Sensitives-adaptives Honen und Superfinishen 3.5 Thermisches Spritzen von Zylinderlaufflächen 3.5.1 Vorgänge des Werkstoffauftrags im Zuge des Thermischen Spritzens 3.5.2 Lichtbogendrahtspritzen, LDS 3.5.3 Zerstäubung und Spritzstrahlausprägung 3.5.4 Auftreffen und Erstarrung der Spritzpartikel im Schichtverbund 3.6 Werkstoffintegrität der LDS-Spritzschicht 4 ABLEITUNG UND FESTLEGUNG FUNKTIONSRICHTIGER MESSSTRATEGIE 4.1 Begründung und Verwertung des White-Box-Testing-Ansatzes 4.2 Werkstoffparameter funktionaler Oberflächen 4.2.1 Struktureigenschaften und Festigkeit 4.2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften 4.3 Technische Oberfläche, lang- und kurzwellige Gestaltabweichungen 4.3.1 Skalenabhängige, geometrische Kontaktbedingungen 4.3.2 Meso- und Mikrokontakt der Zylinderlauffläche 4.4 Operationalisierung der Testhypothese 5 NUTZUNG MESSTECHNISCH RÜCKFÜHRBARER WECHSELWIRKUNGEN FÜR HERSTELLUNG UND ENDBEARBEITUNG 5.1 Funktionsorientierte, definierte Variation lokalisierter Fertigungsmerkmale 5.1.1 Endbearbeitung der Spritzschicht 5.1.2 Herstellung der Spritzschicht 5.1.3 Spezifikation und Verifikation varianter Merkmale der Laufbahn 5.2 Versuchseinrichtung und -bauteile zur Methodenentwicklung 5.2.1 Ausführung im Sinne des White-Box-Testings 5.2.2 Flachproben 5.2.3 Zylinder 6 ANWENDUNG FUNKTIONSORIENTIERTER WERKZEUGE IM QUALITÄTSREGELKREIS 6.1 Verifikationsstrategie 6.2 Spezifische Merkmale der Werkstoffbelastung in Fertigung und Tribometrie 6.3 Fehlerinduktion, -Verifikation und -Behandlungsroutine im geschlossenen Qualitätsregelkreis 6.3.1 Charakterisierung zuordbarer Zylinderlaufbahnperformanceabweichungen 6.3.2 Rückverfolgbare Messkette von tribologischer Belastung über die Endbearbeitung bis zur Herstellung 6.3.3 Werkstoffintegrität als Einflussgröße in der Endbearbeitung und Tribometrie 6.4 Ermittlung von Leistungskennzahlen während der Fertigung mit Auswirkung auf das Verhalten bei tribologischer Prüfung zur Qualitätsregelung 7 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN UND TABELLEN 10 ANHANG 10.1 Messtechnische Grundlagen, Stichwortverzeichnis 10.2 Oberflächenunvollkommenheiten nach DIN EN ISO 8785 10.3 Weiterführende Ergebnisse der Analyse von Oberflächenunvollkommenheiten 10.4 Ausgewählte Ergebnisse im Zuge der Zusammenarbeit und Veröffentlichung Hick et al. 2018 [336] (nicht in der Form veröffentlichtes Material)

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Les matrices céramiques autocicatrisantes sont constituées d’une alternance de couches de SiC, B-C et Si-B-C, déposées par voie gazeuse (CVD). Les couches borées (Si)-B-C sont amorphes après élaboration et leur structure évolue à haute température (T ≥ 1000 °C). Diverses caractérisations (XRD, spectroscopie Raman, NMR, diffusion des neutrons, XANES) ont permis de préciser la structure locale des céramiques brutes d'élaboration. Celle-ci a par la suite été validée par des simulations par dynamique moléculaire ab initio. Elle est constituée de motifs icosaédriques, similaires à ceux de B4C, mais fautés et reliés entre eux par des environnements tétravalents CB4-xCx et trivalents BC3. Dans le cas des matériaux Si-B-C, cette même phase amorphe forme un continuum incluant des clusters de SiC. L’évolution structurale de ces céramiques sous atmosphère inerte a été étudiée en fonction de la température (1100°C ≤ T ≤ 1400 °C) et du temps (t ≤ 1 h). Le caractère métastable des matériaux induit une cinétique de réorganisation rapide. L'évolution structurale se traduit successivement, à T et t croissants, par l’apparition de carbone libre sp2, la cristallisation de B4C, ainsi que la croissance de nanocristallites de SiC dans les matériaux Si-B-C. Les propriétés mécaniques ont également été caractérisées à haute température à l’aide d’essais sur microcomposites Cf/(Si)-B-Cm. Les matériaux font preuve d’un comportement transitoire complexe et fortement dépendant de la température du fait de leur évolution structurale. / Self-healing matrices are composed of SiC, B-C and Si-B-C multilayers deposited by chemical vapour deposition (CVD). The boron-rich layers (Si)-B-C are amorphous in their as-deposited state but crystallize at high temperature (T ≥ 1000 °C). Various analyses (XRD, Raman spectroscopy, NMR, neutron diffraction, XANES) were used to characterize the local structure of the as-processed and heat-treated ceramics. The local structure of heat-treated ceramics was also confirmed by molecular dynamic ab initio simulations. The structure consists of icosahedral units as in B4C but faulted and connected with each other through tetrahedral CB4-XCX and trigonal BC3 sites. In Si-B-C ceramics, the same amorphous phase forms a continuum embedding SiC clusters. The structural evolution of the ceramics in inert atmosphere were studied as a function of temperature (1100°C ≤ T ≤ 1400 °C) and time (t ≤ 1 h). The metastability of the materials leads to fast kinetics of reorganization. When T and t increase, one observes successively the formation free-sp2 carbon, the crystallization of B4C and, in Si-B-C ceramics, the coarsening of the SiC nanocrystallites. The high temperature mechanical properties have also been assessed by tensile tests on Cf/(Si)-B-Cm microcomposites. The materials undergo a complex transient behaviour which is strongly temperature dependent due to the structural changes.

Cette thèse s’intéresse aux effets de la compensation des dopants sur les propriétés électriques du silicium cristallin. Nous montrons que le contrôle du dopage net, qui est indispensable à la réalisation de cellules solaires à haut rendement, s’avère difficile dans les lingots cristallisés à partir de silicium contenant à la fois du bore et du phosphore. Cette difficulté s’explique par la forte ségrégation du phosphore durant la cristallisation, qui donne lieu à d’importantes variations de dopage net le long des lingots de silicium solidifés de façon directionelle. Pour résoudre ce problème, nous proposons le co-dopage au gallium pendant la cristallisation et prouvons l’efficacité de cette technique pour contrôler le dopage net le long de lingots de type p ou n fabriqués à partir d’une charge de silicium contenant du bore et du phosphore. Nous identifions les spécificités du matériau fortement compensé ainsi obtenu comme étant: une forte sensibilité de la densité de porteurs majoritaires à l’ionisation incomplète des dopants, une réduction importante de la mobilité comparée aux modèles théoriques et une durée de vie des porteurs qui est déterminée par la densité de porteurs majoritaires et dominée après éclairement prolongé par les centres de recombinaison liés aux complexes de bore et d’oxygène. Pour permettre la modélisation de cellules solaires à base de silicium purifié par voie métallurgique, nous proposons une paramétrisation des propriétés fondamentales du silicium compensé mentionnées ci dessus. Nous étudions également la dégradation de la durée de vie des porteurs sous éclairement dans des échantillons de silicium de type p et n présentant une large gamme de niveaux de dopage et de compensation. Nous montrons que le défaut bore-oxygène est issu d’un complexe formé à partir de bore substitutionnel pendant la fabrication des lingots et activé sous injection de porteurs par une reconfiguration du défaut assistée par des charges positives. Finalement, nous appliquons le co-dopage au gallium pour la cristallisation de silicium UMG et démontrons que cette technique permet d’augmenter sensiblement la tolérance au phosphore sans compromettre le rendement matière de l’étape de cristallisation ou la performance des cellules solaires avant dégradation sous éclairement. / This thesis focuses on the effects of dopant compensation on the electrical properties of crystalline silicon relevant to the operation of solar cells. We show that the control of the net dopant density, which is essential to the fabrication of high-efficiency solar cells, is very challenging in ingots crystallized with silicon feedstock containing both boron and phosphorus such as upgraded metallurgical-grade silicon. This is because of the strong segregation of phosphorus which induces large net dopant density variations along directionally solidified silicon crystals. To overcome this issue, we propose to use gallium co-doping during crystallization, and demonstrate its potential to control the net dopant density along p-type and n-type silicon ingots grown with silicon containing boron and phosphorus. The characteristics of the resulting highly-compensated material are identified to be: a strong impact of incomplete ionization of dopants on the majority carrier density, an important reduction of the mobility compared to theoretical models and a recombination lifetime which is determined by the net dopant density and dominated after long-term illumination by the boron-oxygen recombination centre. To allow accurate modelling of upgraded-metallurgical silicon solar cells, we propose a parameterization of these fundamental properties of compensated silicon. We study the light-induced lifetime degradation in p-type and n-type Si with a wide range of dopant concentrations and compensation levels and show that the boron-oxygen defect is a grown-in complex involving substitutional boron and is rendered electrically active upon injection of carriers through a charge-driven reconfiguration of the defect. Finally, we apply gallium co-doping to the crystallization of upgraded-metallurgical silicon and demonstrate that it allows to significantly increase the tolerance to phosphorus without compromising neither the ingot yield nor the solar cells performance before light-induced degradation.

Mon activité de recherche fondamentale dans le groupe de théorie du Laboratoire des Solides Irradiés concerne l'étude des propriétés des matériaux d'intérêt pour le CEA, dans les domaines du nucléaire ou de la nanoélectronique. Elle a pour objectif d'atteindre une description théorique -sans paramètre ajustable- des processus contrôlant l'excitation électronique, ainsi que la relaxation -ou désexcitation- électronique, et couvre: - Les propriétés de la matière hors excitation - l'état fondamental; - Les propriétés de l'état excité, abordées sous l'angle de la spectroscopie pour les électrons de valence; - Les vibrations collectives des atomes, leur couplage avec les électrons, et leurs effets sur le transport électronique ou la relaxation électronique. Ces études requièrent un environnement de calcul intensif et l'accès aux ordinateurs du Grand Equipement National de Calcul Intensif GENCI. Dans ce manuscrit, est d'abord rappelé comment calculer la fonction diélectrique inverse en théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps, et quel est le lien avec la fonction de perte électronique observée. Des résultats théoriques sur la fonction diélectrique inverse dans des oxydes non corrélés représentés par le dioxyde de titane TiO$_2$ et la zircone ZrO$_2$ sont décrits. Ensuite sont donnés les principaux résultats théoriques pour les calculs de spectres d'absorption optique pour l'oxyde de cuivre Cu$_2$O et la zircone ZrO$_2$. J'y présente une nouvelle interprétation de travail sur le noyau permettant de modéliser les effets excitoniques en théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps. Enfin, les derniers calculs menés sur les carbures de bore sont rappelés.

L'excès de réactivité neutronique dans les centrales nucléaires est compensé par des sys-tèmes actifs de contrôle du réacteur : acide borique et barres de contrôle. L'apport d'antiréactivité peut se faire passivement avec des poisons consommables, c'est-à-dire des absorbants de neutrons, en particulier avec du gadolinium (Gd). Dans le cadre d'une augmentation de l'enrichissement en U²³⁵ et de réduction de l'utilisation d'acide borique, cette thèse a pour objectif d'optimiser la distribution du ga-dolinium dans des céramiques d'UO₂ afin d'obtenir un apport optimisé d'antiréactivité dans un Réacteur à Eau sous Pression. Dans ce sens, le travail est orienté à trouver des nouveaux matériaux riches en gadoli-nium. Le diagramme de phase U-O-Gd a donc été exploré dans le domaine des fortes teneurs en Gd. Deux phases cubiques ont été trouvées et caractérisées : les phases C1 et C2. En vue d'une application industrielle, la phase C1 a été retenue comme candidate pour l'ajout du Gd dans les pastilles d'UO₂. La distribution optimale de cette phase C1 dans les assemblages de combustible nucléaire a été étudiée avec le code de calcul neutronique APOLLO2.8. Des études paramétriques ont été réalisées. Ces études neutroniques ont aboutit à un concept performant de pas-tille empoisonnée. Finalement, des pastilles prototype ont été fabriquées en laboratoire suivant ce concept. L'ensemble des résultats obtenus montre qu'un concept de pastille avec un dépôt super-ficiel neutrophage de phase C1 est une manière d'apporter de l'antiréactivité de manière optimisée dans le cadre de cycles longs. Ceci pourrait potentiellement être appliquée à l'échelle industrielle. Un brevet a été déposé en ce sens.

Deux nouveaux concepts, visant à reproduire la chimie radicalaire des diétains à l’aide de radicaux centrés sur le silicium, sont présentés à travers ce manuscrit. Le premier concept introduit les “silaboranes”, des molécules constituées d’un motif de type silane et d’un atome de bore. Ceux-ci ont pour la première fois été exploités comme générateurs de radicaux triméthylsilyle via l’utilisation de la réaction de SHi sur le silicium (Substitution Homolytique Intramoléculaire) à partir de disilanes. Des études cinétiques et de modélisation moléculaires de la réaction de SHi ont, entre autres, permis de rationaliser les résultats. Le potentiel des “silaboranes” en tant que substituts des diétains a été entrevu à travers des réactions d’additions radicalaires d’halogénures sur des éthers d’oxime sulfonylés. Le concept des "silaboranes" a ensuite été étendu à des hydrures de silicium, grâce à une réaction de transfert d’hydrogène intramoléculaire, permettant de produire des radicaux triphénylsilyles. Le second concept a révélé la capacité des allyl tris(triméthylsilyl)silanes pour reproduire les réactions radicalaires des diétains via une réaction de beta-fragmentation du groupement tris(triméthylsilyle). Ces substrats, source de radicaux tris(triméthysilyle) et simples d’accès, se sont avérés d’intéressants candidats pour assister l’addition de dérivés bromés et iodés sur des substrats sulfonylés de type allyl, vinyl et éther d’oxime. / Two new concepts, aiming to substitute ditin radical chemistry by using silyl radicals, are developed throughout this manuscript. The first concept introduces “silaboranes”, molecules made up of a silane unit and a boron atom. For the first time, the ability of these precursors to generate trimethylsilyl radicals was demonstrated by using the SHi reaction at silicon (Intramolecular Homolytic Substitution) from disilanes. Besides, results are supported by kinetic and computationnal studies of the SHi reaction at silicon. Capacity of “silaboranes” to achieve tin-free radical processes was demonstrated thanks to radical addition of halogenated species on sulfonyl oxime ethers. “Silaboranes” concept was then extended to silicon hydrides using intramolecular hydrogen transfer as source of triphenylsilyl radicals. The second concept highlights the ability of allyl tris(trimethylsilyl)silanes to make possible tin-free radical reactions via beta-fragmentation of the tris(trimethylsilyl) group. These compounds, source of tris(trimethylsilyl) radicals and easily available, open very interesting perspectives in tin-free radical addition of bromides and iodides species on sulfonyl derivatives as allyl sulfones, vinyl sulfones or sulfonyl oxime ethers.

Un mascaret est une vague remontant contre le courant d’un fleuve lorsque la marée se propage dans un estuaire. À son passage, le mascaret induit une forte turbulence et un fort mélange dont les effets sur la vie de l’estuaire sont encore mal quantifiés. Ici, le phénomène est étudié expérimentalement et numériquement en utilisant un modèle d’onde positive se propageant contre un courant permanent.L’étude en laboratoire a permis de mesurer les variations de la surface libre, de la vitesse de l’écoulement ainsi que des échelles de turbulence. Lors de son passage, des fluctuations importantes de la surface libre et de la vitesse de l’écoulement sont observées, ainsi que des variations des échelles de turbulences. Des structures turbulentes semblent se former près du fond sous le front de l’onde et montent dans la colonne d’eau après le passage du front.La simulation numérique fut réalisée à partir de données expérimentales d’onde positive ondulée sur fond lisse. Une validation des méthodes numériques a été réalisée pour différente configuration. Les résultats des simulations d’onde positives donnent une cartographie détaillée de l’écoulement dans tout le canal. De plus, la simulation a permis d’identifier une inversion de la vitesse près des parois lors du passage des crêtes des ondes générant dans certaines configurations des structures turbulentes. / Tidal bores are surge waves propagating upstream rivers as the tide rushes into estuaries. They induce large turbulences and mixing of the river and estuary flow of which effects remain scarcely studied. Herein, tidal bores are investigated experimentally and numerically with an idealised model of positive surges propagating upstream an initially steady flow. The experimental work estimated flow changes and typical turbulent length scale evolution induced by undular bores with and without breaking roller. The bore passage was associated with large free surface and flow velocity fluctuations, together with some variations of the integral turbulent scales. Coherent turbulent structures appeared in the wake of leading wave near the bed and moved upward into the water column during the bore propagation. The numerical simulations were based on previous experimental work on undular bores. Some test cases were realised to verify the accuracy of the numerical methods. The results gave access to the detailed flow evolution during the bore propagation. Large velocity reversals were observed close to the no-slip boundaries. In some configurations, coherent turbulent structures appeared against the walls in the wake of the bore front.

L’objectif de cette thèse consistait à développer des colorants de la famille des polyméthines absorbant dans le proche infrarouge et présentant des propriétés d’optique non-linéaire (ONL) prononcées. De nouveaux chromophores ont été préparés et leurs propriétés spectroscopiques ont été systématiquement étudiées afin d’établir des relations structures-propriétés. Cette stratégie a permis l’identification des facteurs permettant d’exalter la réponse ONL des polyméthines et de prédire leur comportement face à de subtiles modifications structurales. Trois familles de colorants ont été préparées : des monométhines aza-dipyrrométhènes de bore, des heptaméthines symétriques ainsi que des heptaméthines dissymétriques.Dans un premier temps, des aza-bodipys possédant des groupements donneurs périphériques sont synthétisés. Une étude spectroscopique approfondie permet d’identifier les structures présentant une absorption à deux photons importante en vue d’applications en limitation optique aux longueurs d’onde des télécommunications (1500 nm). Le chapitre suivant a pour but de rationaliser les équilibres de la limite cyanine. L’étude de la substitution centrale de nombreux dérivés heptaméthines a permis de moduler leurs propriétés optiques sur une large gamme spectrale et de mettre en évidence une nouvelle structure électronique limite de type bis-dipôle. Parmi cette famille de colorants, des dérivés keto-heptaméthines ont été utilisées en imagerie biologique (cellules et cerveau) par microscopie non-linéaire. Enfin, l’élaboration de structures heptaméthines dissymétriques originales est détaillée dans le dernier chapitre. Ces chromophores ont révélé des propriétés ONL du second ordre idéales pour des applications en modulation électro-optique. / The aim of this thesis consisted in developing dyes from the polymethine family absorbing in the near-infrared (NIR) region and featuring pronounced nonlinear optical (NLO) properties. Several new chromophores have been prepared and their spectroscopic properties have been systematically investigated in order to establish structure-properties relationships. This strategy has permitted the identification of the factors that enhance the NLO response of polymethines and allowed the prediction of their optical behaviour depending on subtle structural modifications. Three families of dyes have been prepared and investigated: boron aza-dipyrro-monomethines (aza-bodipys), symmetrical heptamethines and unsymmetrical heptamethines.In a first time, aza-bodipys possessing electro-donating peripherical substituants has been synthesized. A detailed spectroscopic study allow the identification of structures that present a high two-photon absorption (TPA), towards optical limiting applications at telecommunication wavelengths (1500 nm). The next chapter rationalizes the equilibrium surrounding the cyanine limit. The study of the central substitution of several heptamethines derivatives permitted the fine tuning of their optical properties upon a large spectral region and evidenced a new bis-dipolar electronic structure. Within this dye family, keto heptamethine derivatives has been tested in bio-imaging experiments (living cells and brain) using non-linear microscopy. Finally, the elaboration of original unsymmetrical heptamethines is detailed in the last chapter. These chromophores revealed ideal second order NLO properties for applications in electro-optic modulation.