Thèse doctorat : Physique des Solides. Matière Condensée, Surfaces et Interfaces : Villeurbanne, INSA : 2006. Thèse doctorat : Physique des Solides. Matière Condensée, Surfaces et Interfaces : Université de Monastir. Faculté des sciences de Monastir : 2006. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin de chaque chapitre.

Thèse de doctorat : Sciences chimiques. Physico-chimie de la matière condensée : Bordeaux 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

En raison de leurs propriétés nouvelles, les matériaux composites à base de nanocristaux de silicium (nc-Si) contenus dans des matrices siliciées amorphes suscitent un intérêt grandissant pour les nombreuses applications envisagées dans les domaines de l'électronique et du photovoltaïque. La fabrication de ces nanostructures est parfaitement compatible avec les technologies existantes. Toutefois, afin d'être intégrés avec succès dans ces dispositifs, les nc-Si et leur environnement doivent avoir des propriétés maitrisées. Dans ce contexte, le travail de thèse a consisté en l'élaboration et la caractérisation de couches de carbure et nitrure de silicium contenant des nc-Si. Ces deux matrices ont retenu notre attention en raison de leur gap intermédiaire entre la silice et le silicium qui permettrait d'obtenir des propriétés améliorées pour les composants électriques. Deux techniques de fabrication ont été étudiées : la nucléation/croissance de nc-Si sur des couches minces a-SiCx par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), et le dépôt par CVD assisté par plasma pulsé (PPECVD) d'alliages a-SiNx riches en Si, suivi d'un recuit à haute température. Lors de l'interprétation des résultats, une attention particulière a été portée aux effets de surface/interface et au rôle de la matrice sur les propriétés mesurées. Après avoir étudié et maitrisé les conditions de dépôt d'alliages a-SiCx:H par PECVD, nous montrons que la nucléation/croissance de nc-Si sur une surface a-Si0,8C0,2 par LPCVD est favorisée en raison de la concentration en Si élevée de la matrice. Des densités surfaciques de nc-Si supérieures à 1012 cm-2 ont ainsi été atteintes, même pour des temps de dépôt courts ou des débits de silane faibles. Ces premiers résultats indiquent la faisabilité de ce type de structure. Une étude approfondie sur le couple nc-Si/nitrure de silicium a ensuite été menée. Les propriétés structurales, optiques et électriques de couches de nitrure contenant des nc-Si ont été caractérisées à partir d'un large éventail de techniques. Après avoir estimé la taille des nc-Si par spectroscopie Raman, la déconvolution des spectres XPS nous a permis d'expliquer les processus de formation des nc-Si lors du recuit et de proposer un modèle pour décrire la structure des interfaces nc-Si/a-Si3N4. Les propriétés optiques des nc-Si ont ensuite été déterminées par ellipsométrie spectroscopique et spectrophotométrie UV-Vis. L'élargissement du gap, le lissage des constantes diélectriques et l'augmentation du coefficient d'absorption aux faibles énergies avec la diminution de la taille des particules suggèrent un effet de confinement quantique au sein des nc-Si. Des mesures de photoluminescence résolue en temps nous ont permis de conclure que l'utilisation d'une matrice de nitrure est peu appropriée à l'étude de l'émission optique des nc-Si en raison des nombreux défauts radiatifs et non radiatifs présents dans la matrice et aux interfaces. Enfin, les mécanismes de transport des porteurs de charge à travers la couche nanocomposite ont été étudiés à partir de mesures courant-tension. En raison de son caractère percolé, la couche se comporte de façon analogue à une couche de Si polycristallin avec une faible concentration de liaisons pendantes du Si. Un effet de photoconduction attribué aux nc-Si est observé, ce qui offre des perspectives de travail intéressantes.

La synthèse de Fischer-Tropsch (SFT) permet la transformation d'un mélange de gaz de synthèse, i.e. H2 et CO, issu des différentes matières premières (charbon, gaz naturel ou biomasse) en hydrocarbures synthétiques. Les catalyseurs généralement utilisés en SFT sont à base de fer ou de cobalt supporté sur alumine ou silice. Dans ce travail, le carbure de silicium (SiC) a été proposé comme nouveau support de remplacement pour la SFT. Les résultats obtenus ont montré que les catalyseurs à base de cobalt supporté sur du SiC, contenant essentiellement des mésopores, sont actifs et sélectifs pour la réaction de SFT par rapport aux catalyseurs traditionnels supportés sur alumine ou silice. L'activité en SFT peut être améliorée en utilisant de l'éthanol comme solvant d'imprégnation ou en ajoutant un promoteur tel que le ruthénium. Le dopage du support de départ par du Ti02 contribue également à une forte augmentation de l'activité en SFT grâce à la formation de petites particules de cobalt présentant une activité en SFT plus élevée. La forte interaction entre le Ti02 et le cobalt permet également d'améliorer d'une manière considérable la stabilité du catalyseur.

Dans ce travail on a étudié l’insertion d’éléments légers dans des intermétalliques TRMX(TR = Terre-Rare, M = métal de transition, X = Si ou Ge) qui cristallisent dans le type structural CeScSi.Cette structure contient deux types de sites interstitiels dans lesquels il est possible d’insérer deséléments légers : un site tétraédrique TR4 et un site octaédrique TR2M4.Pour tous les composés étudiés au cours de ce travail (GdScGe, NdScSi, CeTiGe,...) on a observésystématiquement une insertion des atomes d’hydrogène dans les sites tétraédriques TR4. Danscertains cas les atomes d’hydrogène occupent également les sites octaédriques TR2M4. Ceci aconduit à l’obtention de deux type d’hydrures : TRMXH et TRMXH1,5 pour lesquels on observe unetrès forte diminution de l’ordre magnétique et des changements significatifs des propriétés deconduction électrique par rapport aux phases initiales.L’insertion de carbone par fusion des éléments à l’aide d’une procédure en plusieurs étapes permetd’obtenir des phases TRScSiCx avec un taux de carbone variable (0 ≤ x ≤ 0,5) qui correspond à unremplissage plus ou moins partiel du site octaédrique TR2M4. Cette insertion de carbone induitégalement une diminution des températures d’ordre magnétique (de Curie et de Néelrespectivement pour NdScSi et CeScSi).Dans une deuxième étape on a montré qu’il est possible d’insérer partiellement de l’hydrogène dansles sites TR4 laissés vacants. Des changements de type d’ordre magnétique ont été observéscontrairement aux hydrures et carbures précédents. Des études systématiques de diffractionneutronique ont permis de déterminer les structures magnétiques à basse température de la plupartde ces nouvelles phases d’insertion. / Rare earth based intermetallics RTX (R = rare earth, T = transition metal, X = Si, Ge)crystallising in the layered CeScSi structure type contain vacant interstitial sites that can be filled bylight elements to modify the initial physical properties. Hydrogenation studies on CeScSi-typecompounds show that hydrogen atoms are inserted in the tetrahedral (R4) sites and sometimes inthe octahedral (R2Sc4) sites. This causes an anisotropic expansion of the unit cell with a decreasingand c strongly increasing. It also drastically lowers the magnetic ordering temperatures of the parentmaterials and changes their resistivity behaviour.We developed a multi-step process to synthesise intermetallic carbides (RTXCX) with controllable Ccontent. Neutron diffraction shows that C occupies only the R2Sc4 sites of the RScSi compounds (R =La-Nd and Gd) causing the increase of the a cell parameter and the decrease of the c one. We obtainRScSiCX solid solutions with 0.0 ≤ x ≤ 0.5 for R = Ce and 0.25 <̰ x ≤ 0.5 for R = Nd. Carburation reducesthe Curie and Néel temperature of the NdScSi and CeScSi pristine phases, respectively.As the R4 tetrahedra are empty in the RScSiCX carbides, we have succeeded in hydrogenating thesematerials (R = Ce and Nd). However, due to the antagonistic structural distortion induced by C and Hinsertion respectively, only around 15 % of the R4 sites could be filled for a final composition ofRScSiC0.5H~0.15. It also changes the type of magnetic behaviour from a ferromagnetic order to anantiferromagnetic order in NdScSiC0.5.Neutron diffraction experiments have been performed to determine the magnetic structures ofthese new insertion compounds.

Le carbure de silicium (SiC) est l'un des matériaux les plus prometteurs pour les dispositifs électroniques de puissance. Même si la modélisation a prouvé sa capacité à assister le développement du procédé de croissance des cristaux de SiC, de nombreux aspects ne sont toujours pas décrits de façon satisfaisante. Cette thèse a pour but d'utiliser les outils de modélisation pour étudier les phénomènes fondamentaux ayant lieu dans la croissance massive du SiC, que ce soit en phase vapeur (PVT) ou en phase liquide (TSSG). Pour la méthode PVT, une attention particulière est portée sur la physico-chimie de l'interface solide-vapeur. Pour simuler la cristallisation stœchiométrique du SiC à partir d'une phase gazeuse non-congruente, phénomène mal décrit par le modèle d'Hertz-Knudsen, nous avons considéré le SiC comme une solution solide en utilisant la modélisation couplée du transfert de masse et de la thermodynamique. Cette approche donne une évaluation de la composition du cristal de SiC qui peut être liée à des paramètres contrôlables. De telles corrélations peuvent servir de base pour contrôler la densité de défauts ponctuels, la stabilité des polytypes et la concentration de dopage. Dans le cas du procédé TSSG, les effets de la vitesse de rotation du cristal et de la fréquence du champ magnétique sont étudiés. La convection électromagnétique est la principale contribution régissant les mouvements de fluide à basse fréquence alors que la convection naturelle et l'effet Marangoni deviennent dominants à haute fréquence. Dans les conditions expérimentales utilisant les basses fréquences, la vitesse de croissance du cristal pourrait encore être accrue en augmentant la vitesse de rotation. Une modélisation analytique, couplée aux calculs de dynamique des fluides a permis de décrire les interactions entre le flux de liquide et la direction de propagation des marches de croissance à la surface du cristal. Un paramètre de phase a été introduit comme critère d'apparition de macromarches, à l'origine d'instabilités morphologiques. / Silicon Carbide (SiC) is one of the most desirable materials for power electronic devices. The development of the growth process, to achieve larger size and higher quality is on the way. Even if modeling has proved its ability to assist the optimization of the growth processes, there are still some strong issues which are not considered in a satisfactory way. This thesis aims to use the modeling tools to tackle those challenging fundamental and technological issues on both industrially used PVT and emerging TSSG processes. In the PVT process, special attention is paid to the physical chemistry at the solid-vapor interfaces. Especially, we investigated the way to model the stoichiometric crystallization of SiC from a non-congruent vapor as the Hertz-Knudsen model was shown to be not adapted. We thus considered SiC as a solid solution using coupled mass transport modeling and thermodynamics. This approach gives an assessment to the chemistry of the SiC crystal which can be linked to the controllable parameters. Such correlations may serve as a basis to control the points defect density, stable polytypes, and doping concentration. Concerning the TSSG process, the effects of crystal rotation speed and operating frequency are studied. The electromagnetic convection is the main contribution governing the growth process using low frequency while the combined buoyancy and Marangoni convections become dominant at high frequency. In the experimental conditions using low frequency, the crystal growth rate could still be enhanced by increasing the rotation speed. The phase parameter is also introduced using the combined fluid dynamics and analytical modeling. This provides a comprehensive visualization of the interactions between fluid flow and step flow and a guideline to improve the surface morphology of the crystal.

De nos jours, les limites du réacteur batch, outil conventionnel de l'industrie de la chimie fine, en termes de transfert thermique et de transfert de matière, conduisent à envisager le passage en continu de réactions dont les problématiques d'exothermie et de rapidité rendent leur industrialisation difficile. Les réacteurs-échangeurs compacts sont un exemple de technologies intensifiées continues alliant les performances d'un échangeur de chaleur couplées à un bon mélange ainsi qu'à un comportement de type piston offert par le design spécifique de leurs canaux. L'objectif de ces travaux est de démontrer la faisabilité de la transposition en continu d'une réaction fondamentale de la chimie des silicones, recensée comme l'une des plus exothermiques, dans un réacteur-échangeur intensifié conçu dans un matériau innovant : le Carbure de Silicium. La démarche a consisté à étudier les différentes phases de la réaction à plusieurs échelles afin de construire un modèle cinétique. L'exploitation de ce modèle a permis de définir les conditions optimales de la réaction permettant de répondre aux contraintes industrielles en termes de conversion, de consommation de catalyseur et de production industrielle. Enfin, une démarche d'optimisation et d'extrapolation du réacteur a été mise en place pour le pilotage industriel de la réaction étudiée. / Nowadays in the field of fine chemistry, limitations of conventional batch reactors in term of heat and mass transfer lead to increase the interest in the transposition of reactions from batch to continuous mode. It is particularly the case of fast and highly exothermic reactions as they raise safety issues in batch reactor. Compact heat-exchanger reactors (HEX reactor) are an example of continuous intensified technologies as they offer the heat transfer performances of heat exchangers coupled with high mixing and plug-flow behaviour, thanks to specific designs of channels. The aim of this work is to demonstrate the feasibility of the transposition of a fast and highly exothermic hydrosilylation reaction, a fundamental method for the industrial synthesis of organosilicon compounds, into a continuous heat-exchanger reactor made of a very innovative material: the silicone carbide. The methodology adopted consists in investigating hydrosilylation kinetics studies at different residence time scales. Then kinetics modelling and optimisation allow defining the features for process industrialization. Industrials objectives in terms of conversion and catalyst reduction are reached with a shorter time. Moreover the outstanding heat transfer performances of the HEX reactor, which entirely absorb the high exothermicity, successfully demonstrate the feasibility of the transposition into continuous

Les évènements climatiques de ces dernières années ont encouragé de nombreux pays à augmenter la part des énergies renouvelables et non génératrices de gaz à effets de serre. Cependant, pour faciliter leur intégration à grande échelle, le besoin d’un super réseau européen se fait sentir. Ce nouveau réseau, principalement basé sur du courant continu sous haute tension (HVDC) nécessitera l’utilisation de convertisseurs DC-DC. Par conséquent, ce mémoire propose et étudie des topologies basées sur l’association de convertisseurs DC-DC élémentaires isolés. Il est organisé en une introduction, 3 chapitres et une conclusion. Dans l’introduction, un état de l’art est réalisé sur les technologies actuellement mises en oeuvre dans les applications HVDC. Le contexte de l’étude, lié au développement des réseaux DC interconnectés et maillés est ensuite développé. Dans le premier chapitre, des solutions basées sur l’association de convertisseurs DC DC élémentaires isolés sont étudiées puis comparées en termes de dimensionnement des éléments réactifs et de rendement. Cette étude nous a permis de sélectionner trois topologies pour la suite de notre travail. Dans le deuxième chapitre, nous évoquons tout d’abord les différentes problématiques pouvant apparaitre lors de la mise en oeuvre des solutions proposées. Dans un second temps, en prenant une ferme éolienne offshore comme cas d’application, les solutions proposées sont comparées en termes de pertes et de nombre de composants avec une topologie basée sur une association de convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC) utilisés dans les réseaux HVDC. Le troisième chapitre présente l’étude et la mise en oeuvre de deux prototypes de convertisseur DC-DC isolés, d’une puissance de 100 kW et fonctionnant sous une tension de 1,2 kV. Ces prototypes ont permis de valider expérimentalement les performances des topologies étudiées dans le premier chapitre. Finalement, la dernière partie propose une conclusion des travaux présentés dans cette thèse. Ces travaux nous ont permis de montrer que les solutions proposées présentent un intérêt pour le cas d’application sélectionné. / The catastrophic environmental effects seen in the last couple of decades have encouraged many countries to increase the proportion of C02-free energy from renewable sources. However, for the easier integration of these energies on a large scale, the need of a European SuperGrid has emerged. This new grid, mainly based on High-Voltage- Direct-Current (HVDC) will require the use of DC-DC converters. Therefore, this manuscript proposes and studies topologies based on the association of isolated elementary DC-DC converters. It is organized in one introduction, 3 chapters and one conclusion. In the introduction, a state-of-the-art of the technologies currently used in HVDC applications is proposed. The context of the study, linked to development of the meshed DC grids, is developed afterwards. In the first chapter, solutions based on the association of elementary isolated DC-DC converters are studied and then compared in terms of reactive components sizing and efficiency. This study permitted the selection of three topologies for the rest of our work. In the second chapter, we mention the issues which may appear during the implementation of the solution. Then, by taking an offshore wind farm as application case, the solution is compared, in terms of loss and component number, with a topology based on the association of Modular Multilevel Converters (MMC) currently used in HVDC grids. The third chapter presents the study and the implementation of two 100 kW DC-DC converter prototypes, operating at 1.2 kV. These prototypes allowed the experimental validation of the performances of the topologies studied in the first chapter. Finally, the last part proposes a conclusion of the work achieved in this thesis. This work allowed it to be shown that the proposed solutions are interesting for the selected application case.

La synthèse de Fischer-Tropsch (SFT) permet la transformation d'un mélange de gaz de synthèse, i.e. H2 et CO, issu des différentes matières premières (charbon, gaz naturel ou biomasse) en hydrocarbures synthétiques. Les catalyseurs généralement utilisés en SFT sont à base de fer ou de cobalt supporté sur alumine ou silice. Dans ce travail, le carbure de silicium (SiC) a été proposé comme nouveau support de remplacement pour la SFT. Les résultats obtenus ont montré que les catalyseurs à base de cobalt supporté sur du SiC, contenant essentiellement des mésopores, sont actifs et sélectifs pour la réaction de SFT par rapport aux catalyseurs traditionnels supportés sur alumine ou silice. L'activité en SFT peut être améliorée en utilisant de l'éthanol comme solvant d'imprégnation ou en ajoutant un promoteur tel que le ruthénium. Le dopage du support de départ par du Ti02 contribue également à une forte augmentation de l'activité en SFT grâce à la formation de petites particules de cobalt présentant une activité en SFT plus élevée. La forte interaction entre le Ti02 et le cobalt permet également d'améliorer d'une manière considérable la stabilité du catalyseur. / The Fischer-Tropsch synthesis (FTS) allows the transformation of a mixture of synthesis gas, i.e. H2 and CO, into valuable liquid hydrocarbons. The catalysts generally used in FTS are based on iron or cobalt supported on alumina or silica. ln the present work, silicon carbide (SiC) has been proposed as a replacement media to traditional supports. The results obtained indicate that the mesoporous SiC containing cobalt catalyst exhibits a good FTS activity and an extremely high selectivity towards liquid hydrocarbons compared to other FTS catalysts supported on alumina or silica. The FTS activity on the Co/SiC catalyst can be improved by changing the impregnation solvent or by promoting the cobalt phase with trace amount of noble metal. The doping of the SiC support with Ti02 phase also significantly improves the FTS activity keeping a similar high selectivity thanks to the formation of small cobalt particles in contact with the Ti02 phase.

L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement plastique du carbure de silicium dans le domaine fragile. A cette fin, des essais de déformation par micro et nanoindentation ont été réalisés sur des échantillons monocristallins de SiC (4H et 3C). Des couches homoépitaxiées de 4H-SiC de différents dopages électroniques ont été étudiées. Ces couches présentent des caractéristiques mécaniques différentes en fonction du dopage : le dopage de type p durcit le matériau par rapport au dopage de type n ou au matériau intrinsèque. De plus, l'analyse des courbes charge-enfoncement obtenue en nanoindentation montre que la nucléation des dislocations est plus difficile lorsque le matériau est dopé de type p par rapport au matériau dopé n ou intrinsèque. Ceci est confirmé par les microstructures de déformation observées en Microscopie Electronique en Transmission (MET). Les observations par MET montrent que les dislocations introduites à l'ambiante autour des empreintes sont parfaites et glissent dans les plans {0001} dans le 4H-SiC et dans les plans {111} dans le 3C-SiC. Elles sont orientées principalement le long de la direction vis. Les sites de nanoindentation à température ambiante des couches 4H homoepitaxiées ont été particulièrement étudiés. On met en évidence que les sites de nucléation des dislocations sont vraisemblablement situés dans les plans {1100}, les dislocations se développant par la suite dans le plan basal. La nature des cœurs des dislocations parfaites a été déterminée par la technique LACBED. Ces dislocations parfaites ont un cœur silicium en mode shuffle. Un changement de mécanisme de plasticité est observé par MET pour les échantillons indentés 800 / The aim of this thesis is to study the plastic behaviour of silicon carbide in the brittle domain. For this purpose micro and nanoindentation deformation tests were performed on single crystal specimens of SiC (4H and 3C). Homoepitaxial layers of 4H-SiC with different doping have been studied. These layers show different mechanical characteristics as a function of doping: p-type doping hardens the material as compared to n-type doping or intrinsic material. In addition, load-penetration depthcurves show that the nucleation of dislocations is more difficult in p-doped material as compared to intrinsic or n-doped material. This is confirmed by deformation microstructures observations using Transmission Electron Microscope (TEM). TEM observations show that dislocations introduced around the imprints at room temperature are perfect dislocations gliding in the {0001} plane in 4H-SiC and in the {111} plane in 3C-SiC. They are mostly screw oriented. Room temperature nanoidentation imprints of4H homoepitaxied layers have been extensively studied. It is evidenced that dislocation nucleation sites are likely to be located in {1100} planes and that dislocations bow out subsequently in the basal plane. The core nature of perfect dislocations has been determined using the LACBED technique. Those perfect dislocations have a silicon core in the shuffle mode. TEM observations on specimens indented at 800ºC indicate a change in plastic deformation mechanism. At this temperature, partial dislocations with large stacking faults are observed.