Résumé: Les mécanismes de perfectionnement du transfert thermique des nanofluids sont encore peu clairs. Les études précédentes au sujet des nanofluids ont essayé de résoudre certains des nombreux défis au sujet de la performance thermique et hydrodynamique des nanofluides et de leurs propriétés ; toutefois il reste beaucoup de problèmes non résolus et questions sans réponse certaine. Par conséquent, plus d'études sont nécessaires, qui peuvent être expérimentales, numériques ou théoriques. Dans la présente étude, des nanofluides sont étudiés intensivement en utilisant des approches numériques et analytiques. La partie numérique se compose de trois chapitres et couvre un éventail de problèmes de transfert thermique, incluant; laminaire et turbulente, monophasique et diphasique, aussi bien que, convection mixte et convection forcée. Plusieurs concentrations volumétriques de nanoparticules et nombres de Reynolds sont considérés. Le deuxième chapitre est consacré à la convection laminaire mixte de nanofluide d'Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3]-eau à l'intérieur d'un tube horizontal. Le flux uniforme de chaleur est appliqué au mur. Deux nombres de Reynolds et trois concentrations volumétriques de nanoparticules sont utilisés, et finalement les résultats numériques thermiques et hydrodynamiques de trois différents modèles diphasiques et du modèle monophasique sont comparés aux données expérimentales. On démontre que les résultats de ces différentes approches sont extrêmement différents. Pour un régime de convection laminaire mixte, les modèles diphasiques sont en meilleur accord avec des données expérimentales. Les résultats de modèles diphasiques sont proches mais loin des résultats du modèle monophasique. Le troisième chapitre évalue la sensibilité de la formulation laminaire sur des combinaisons choisies des expressions pour la conductivité et la viscosité des nanofluids. Deux expressions pour la conductivité et trois pour la viscosité sont choisis, ce qui donne six combinaisons. Ces choix s'avèrent avoir des effets très importants sur les résultats finals. Par conséquent, chaque étude numérique devrait d'abord justifier son choix des corrélations de viscosité-conductivité. En outre, une liste des modèles les plus importants pour la conductivité et la viscosité des nanofluids est recueillie et incluse dans ce chapitre. Le quatrième chapitre évalue les résultats du modèle monophasique et trois différents modèles diphasiques pour la convection forcée turbulente de nanofluide dans un tube horizontal. Le flux uniforme de la chaleur est appliqué au mur. Le modèle turbulent "Realizable k-[epsilon]" est employé, qui est un modèle à deux équations. Deux ensembles de données expérimentales pour différents nanofluides (Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3]-eau et Cu-eau) sont employés, qui couvrent un éventail des concentrations volumétriques de nanoparticules et de nombres de Reynolds. L'exactitude monophasique des résultats est confirmée avec un choix approprié de combinaisons de conductivité-viscosité. Les résultats des différents modèles diphasiques sont proches; cependant, ils sont très loin des résultats monophasique [i.e. monophasiques] et des données expérimentales. Les modèles diphasiques ne pourraient pas satisfaire les données expérimentales pour le régime convection forcée turbulente de deux nanofluides différents par deux différentes études expérimentales, alors que l'approche monophasique le fait bien. Dans la partie analytique de l'étude, de nouveaux modèles pour la conductivité thermique des nanofluides et le nombre de Nusselt de l'écoulement autour des nanoparticules sont dérivés. Ces modèles tiennent compte de l'effet du mouvement Brownien, de la résistance thermique surfacique, du groupement des particules, de la distribution de taille de ces groupements et de la micro-convection aussi bien que de la concentration des particules, de la dimension particulaire et de la température. Le groupement des particules et la distribution de leur taille sont analysés à l'aide de la théorie fractale. Le modèle proposé pour la conductivité des nanofluides est comparé aux données expérimentales de plusieurs études pour cinq nanofluides différents et différentes concentrations volumétriques de nanoparticules. Ce modèle est également comparé à deux modèles semblables. II montre une très bonne concordance avec l'expérience et une meilleure performance comparé à ces modèles choisis.||Abstract: The mechanisms of nanofluids heat transfer enhancement are still unclear. Previous studies about nanofluids have tried to solve some of many challenges about the thermal and hydrodynamic performance of nanofluids and their properties; however still there are many problems unsolved and questions without a certain answer. Hence, more studies are necessary, which can be experimental, numerical and theoretical. In the present study, nanofluids are investigated intensively using numerical and analytical approaches. The numerical part consists of three chapters and covers a wide range of heat transfer problems, including; laminar and turbulent, single-phase and two-phase as well as mixed convection and forced convection flows. Several particle volume fractions and a large number of Reynolds numbers are considered. Chapter two is dedicated to laminar mixed convection flow of Al 2 O 3 -water nanofluid inside a horizontal tube. Uniform heat flux is applied at the wall. Two Reynolds numbers and three particle volume fractions are used, and finally the thermal and hydrodynamic numerical results from three different two-phase models and the single phase model are compared with experimental data. It is shown that the predictions of these different approaches are extremely different. For a laminar mixed convection flow, two-phase models are in better agreement with a given experimental data. The two-phase models predictions are close but far from single-phase. Chapter three evaluates the sensitivity of the laminar formulation on selected combinations of models for the conductivity and viscosity of nanofluids. Two models for the conductivity and three for the viscosity are chosen, which make six combinations. These choices are found to have very important effects on the final results. Therefore, every numerical study should first justify their choice of viscosity-conductivity correlations. Also, a list of the most important models for the conductivity and viscosity of nanofluids are gathered and included in this chapter. Chapter four evaluates the predictions of single-phase and three different two-phase models for turbulent forced convection inside a horizontal tube. Uniform heat flux is applied at the wall. Realizable k-[varepsilon] turbulent model is used, which is a two-equation model. Two sets of experimental data for different nanofluids (Al 2 O3 -water and Cu-water) are used, which cover a wide range of volume fractions and Reynolds numbers. The single-phase results accuracy is confirmed with an appropriate selection of conductivity-viscosity combination. The results from different two-phase models are found to be very close; however, they were too far from the single-phase predictions and the experimental data. Two-phase models could not satisfy the experimental data for turbulent forced convection flow of two different nanofluids from different experimental studies, while single-phase approach does it well. In the analytical part of the study, new models for the thermal conductivity of nanofluids and the Nusselt number of the flow around the nanoparticles are derived. These models take into account the effect of Brownian motion, interfacial thermal resistance, particles clustering, clusters size distribution and micro-convection as well as particles concentration, particles size and temperature. The clusters size and size distribution are analyzed based on the fractal theory. The proposed model for the conductivity of nanofluids is compared with experimental data from several studies for five different nanofluids and various magnitudes of volume fractions. This model is also compared with two similar models. It shows very good agreement with experiment and better performance compared to those selected models.[symboles non conformes]

La réduction des dimensionnalités de systèmes physiques implique des modifications substantielles des propriétés thermiques. Avec l'engouement pour les nanosciences et en particulier pour la nanophysique, les physiciens et chimistes ont cherché à savoir si la matière possédait les mêmes propriétés à petite échelle que dans les échantillons massifs. Depuis vingt ans de belles illustrations expérimentales de variations de propriétés électriques (magnétiques) ont été obtenues en physique mésoscopique, en matériau ou en magnétisme. En revanche les propriétés thermiques et thermodynamiques restent relativement mal comprises et ce pour plusieurs raisons: il est très difficile de contrôler les flux de chaleur à très petite échelle, les énergies mises en jeu pour des systèmes peu massiques sont très faibles et donc délicates à mesurer, et enfin la manipulation et la fragilité de ces petits systèmes transforme leur mesure en un défi expérimental. C'est ce que nous cherchons à faire dans ce travail.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur la synthèse et les caractérisations thermiques et rhéologiques d'un nouveau type de nanofluide : le système Cu2O/Glycérol. La caractérisation est faite en fonction de la taille des particules mises en suspension, de la température et de la fraction volumique solide. Ce travail a nécessité la synthèse des nanoparticules et des nanofluides par la méthode de décomposition thermique des précuseurs organométalliques, qui présente un bon rendement en quantité de nanoparticules (17%). Et le montage d'un dispositif de caractérisation thermique utilisant la méthode 3ω. Finalement, nous avons passé à la caractérisation rhéologique et thermique de ces échantillons. Les résultats obtenus avec ce nouveau système sont intéressants, car l'augmentation de la conductivité thermique atteint des valeurs importantes : 120% et 35% respectivement pour des fractions volumiques aussi faibles que 0,625% et 0,078% de nanoparticules de 7 nm de diamètre, sans influence notable sur la viscosité du fluide hôte, permettant une bonne amélioration du bilan énergétique total. Nous avons observé que la concentration et la taille (surface) des nanoparticules sont des paramètres clefs du comportement de la conductivité thermique effective du nanofluide Cu2O/Glycérol. Nos mesures nous ont permis de déduire la prédominance des modifications de la surface des nanoparticules (par fonctionnalisation ou par réaction chimique secondaire) sur le mouvement brownien dans les transferts thermiques nanoparticules/ fluide hôte.

Le pergélisol est une composante majeure du système climatique terrestre. Avec le réchauffement du climat, la dégel du pergélisol profite à l'activité biochimique qui décompose davantage de matière organique dans les sols arctiques et la rejette dans l'atmosphère sous forme de gaz à effet de serre (CO2, CH4). Ce phénomène pourrait constituer une rétroaction climatique positive majeure. Prédire ces effets nécessite d'étudier l'évolution du régime thermique du pergélisol ainsi que des facteurs qui l'influencent. Le manteau neigeux, de par son pouvoir isolant, contrôle les échanges de chaleur entre le sol et l'atmosphère une grande partie de l'année. Le flux de chaleur à travers la neige dépend de la hauteur du manteau neigeux et de la conductivité thermique des couches de neige qui le constituent. Ces deux variables sont elles-même très dépendantes des conditions climatiques et de la présence de végétation. Nous réalisons ici le suivi des propriétés de la neige et du sol d'un site haut arctique de toundra herbacée (Île Bylot, 73N), et d'un site bas arctique à la frontière de la toundra arbustive et forestière (Umiujaq, 56N). Nous utilisons les données issues de stations de mesure automatiques complétées par des mesures manuelles. Une attention particulière est portée sur la conductivité thermique de la neige, car peu de données sont disponibles pour les régions arctiques. Le modèle numérique couplé ISBA-Crocus est ensuite utilisé pour simuler les propriétés de la neige et du sol des deux sites étudiés. Les résultats sont comparés aux mesures de terrain afin d'évaluer la capacité du modèle à simuler le régime thermique des sols arctiques.Nous avons pu caractériser les interactions atmosphère-neige-végétation qui façonnent la structure des manteaux neigeux arctiques. Le vent et la redistribution de neige qu'il induit sont des paramètres fondamentaux qui déterminent la hauteur et la conductivité thermique de la neige. Un couvert végétal haut et dense (arbustes, arbres) piège la neige soufflée et l'abrite du tassement éolien. De plus, la structure ligneuse des massifs arbustifs soutient la masse de neige et empêche son tassement. Cet abri procure à la neige une capacité d'isolation élevée qui retarde le gel du sol dès les premières accumulations. Le refroidissement atmosphérique se poursuivant, le manteau neigeux peu épais est soumis à un gradient thermique élevé qui provoque d'importants transferts de vapeur d'eau depuis le sol et les couches de neige basales, vers les couches supérieures et l'atmosphère. La croissance de givre de profondeur qui s'opère, favorisée à la fois par le gradient thermique élevé et la faible densité de la neige, aboutit à la formation de couches très isolantes en contact avec la surface du sol. Tant que le sol demeure relativement chaud, la croissance de givre de profondeur perdure. Finalement, des épisodes de fonte peuvent avoir lieu en automne durant la mise en place du manteau neigeux dans les régions arctiques. Le regel de la neige peut rapidement annuler ou même temporairement inverser l'effet isolant des interactions neige-végétation. Une surface de neige gelée ne subit pas l'effet du vent et empêche sa redistribution. La formation de croûtes de regel à forte conductivité thermique accélère le refroidissement du sol. Le manteau neigeux affecté par la fonte au début de l'hiver a donc une capacité d'isolation diminuée qui pourrait entraver le réchauffement des sols arctiques. Nos résultats de simulation montrent que ces différents effets ne sont pas correctement représentés dans les modèles de neige. Les erreurs dans les conductivités thermiques de la neige simulées sont particulièrement problématiques puisqu'elles interviennent lors de la période de gel du sol. Étant donné l'étendue des régions affectées par le pergélisol, ces erreurs sur la modélisation de la neige arctique pourraient significativement affecter les simulations climatiques et les projections de la hausse des températures globales. / Permafrost is a major component of the Earth climatic system. Global warming provokes the degradation of permafrost which favors biogeochemical activity in Arctic soils. The decomposition of organic matter increases and results in the release of high amounts of greenhouse gases (CO2 and CH4) to the atmosphere. By amplifying the greenhouse effect induced by human activities, this phenomenon may constitute one of the strongest positive feedbacks on global warming. Predicting these effects requires to study the evolution of the permafrost thermal regime and the factors governing it. The snowpack, because of its insulating effect, modulates the heat fluxes between permafrost and atmosphere most of the year. The snow insulating capacity depends on snow height and thermal conductivity. These two variables are highly dependent on climatic conditions and on the presence of vegetation. Here we monitor the snow and soil physical properties at a high Arctic site typical of herbaceous tundra (Bylot Island, 73°N), and at a low Arctic site situated at the limit between shrub and forest tundra (Umiujaq, 56°N). We use data from automatic measurement stations and manual measurements. A special attention is given to the snow thermal conductivity because very few data are available for Arctic regions. Results are interpreted in relation to vegetation type and atmospheric conditions. The numerical coupled model ISBA-Crocus is then used to simulate snow and soil properties at our sites. Results are compared to field data in order to evaluate the model capacity to accurately simulate the permafrost thermal regime.We managed to describe atmosphere-snow-vegetation interactions that shape the structure of Arctic snowpacks. Wind and the snow redistribution it induces are fundamental parameters governing snow height and thermal conductivity. A high vegetation cover (i.e. shrubs and forest) traps blowing snow and shields it from wind compaction. Vegetation growth thus favors the formation of an insulating snowpack which slows down or even prevents soil freezing. Furthermore, the shrubs woody structure supports the snow mass and prevents the resulting compaction of bottom snow layers. Thus sheltered, snow in shrubs develops a high insulating capacity which delays soil freezing. Continued atmospheric cooling increases the thermal gradient in the snow, maintaining large water vapor transfers from the soil and the snow basal layers to upper layers and atmosphere. The growth of depth hoar, enhanced by the large thermal gradient and the low snow density, results in the formation of highly insulating snow layers thus constituting a positive feedback loop between soil temperature and snow insulation. As long as the soil stays relatively warm, depth hoar growth persists. Finally, if warm spells occur in autumn, they can trigger the partial melting of the early snowpack which can cancel or temporarily reverse the insulating effect of snow-vegetation interactions. A frozen snow surface prevents snow drifting and its redistribution. The presence of highly conductive refrozen layers facilitates soil cooling and reduces the thermal gradient. An early snowpack affected by melting is thus less insulative which could hamper Arctic soil warming. Simulation results show that these different effects are not correctly represented in snow models. Errors in the estimated snow thermal conductivities are particularly problematic as they highly affect the simulation of soil freezing. Given the area of permafrost-affected regions, these errors on Arctic snow modelling could significantly impact climate simulations and the global warming projections.

Ce travail de thèse a pour objectif d'étudier et de mieux comprendre les relations structure-propriétés de céramiques transparentes Yb:CaF2 obtenues par voie humide, en particulier sur le plan des propriétés thermiques. Dans un premier temps nous présentons les atouts des céramiques transparentes Yb:CaF2 dans le cadre d'une application en laser de puissance. Le procédé de fabrication par voie humide des céramiques est ensuite décrit au cours d'une seconde partie. Les résultats d'analyses et caractérisations diverses ayant eu lieu à différentes étapes de la synthèse des céramiques sont présentés, menant à une optimisation du procédé de fabrication. Un troisième chapitre est ensuite consacré à une étude expérimentale des propriétés thermiques de nos céramiques, qui montre en particulier une grande similitude avec les propriétés des monocristaux. Cette étude est complétée par un volet de modélisation décrit dans un quatrième chapitre. Deux modèles prédictifs de conductivité thermique sont explorés et comparés, et permettent d'apporter une explication théorique aux tendances observées expérimentalement. L'hypothèse selon laquelle l'impact des joints de grains sur la diminution de la conductivité thermique est négligeable devant celui du dopage est notamment confirmée. Enfin, dans une cinquième et dernière partie, plusieurs pistes sont explorées afin d'apporter une explication à l'échauffement supérieur des céramiques par rapport aux monocristaux observé en conditions laser. / This PHD work is aiming at getting a better understanding of the structure-properties relationships of Yb:CaF2 transparent ceramics obtained with a wet-route fabrication process, with a special focus on thermal properties. At first, we introduce the assets of Yb:CaF2 transparent ceramics in the frame of high-power laser applications. The wet-route fabrication process is then described in a second chapter. The results of several analysis and characterizations performed along different steps of the ceramics synthesis are also presented, leading to an optimized fabrication process. The third chapter then focuses on an experimental study of the thermal properties of our ceramics, which shows in particular an important similarity with single crystals properties. This study is complemented with a modelization work described in chapter four. Two predictive models of thermal conductivity are investigated and compared. They bring a theoretical explanation to the tendencies experimentally observed. We thereby confirm the hypothesis according to which the grain boundaries impact on thermal conductivity is negligible with respect to that of the doping element introduction. Finally, in the fifth and last chapter, several hypothesis are investigated in order to bring an explanation to the ceramics overheating observed in laser conditions, which is superior to single crystals.

Les composés homologues de formule chimique (PbSe)5(Bi2Se3)3m avec m = 1, 2 et 3 se caractérisent par une structure lamellaire où alternent des couches de PbSe avec m couches de Bi2Se3. Ces composés, que l’on retrouve à l’état naturel, ont récemment suscité un intérêt pour la thermoélectricité en raison de leur remarquable aptitude à ne conduire que très faiblement la chaleur. L’objectif des travaux de cette thèse est d’étudier en détail le transport électrique et thermique de ces matériaux et de sonder leurs performances pour la génération d’électricité. Pour atteindre ces objectifs, des techniques de synthèse par métallurgie de poudres ont été mises en œuvre. Les matériaux résultants ont été ensuite caractérisés finement. Les caractérisations ont porté sur des analyses physico-chimiques mais aussi sur des mesures de propriétés électriques et thermiques aussi bien à basses températures (2 – 300 K) pour identifier les mécanismes microscopiques qui gouvernent le transport qu’à hautes températures (300 – 723 K) pour déterminer leur domaine d’application optimal. Une étude détaillée de leur structure cristalline a été menée en combinant des mesures de diffraction des rayons X sur monocristal et des analyses de microscopie électronique à transmission à haute résolution. Les mesures des propriétés physiques de ces composés ont confirmé leur potentiel pour des applications en génération d’électricité à températures moyennes. De nombreuses substitutions ont été entreprises afin de tenter d’optimiser davantage les performances de ces composés. Les éléments en substitution ont été choisi pour soit augmenter (m = 1) ou au contraire diminuer (m = 2 et 3) la concentration en électrons. Ces travaux ont permis de démontrer pour la première fois la possibilité de doper ces matériaux avec de nombreux éléments tels que l’iode, le sodium, l’argent ou le tellure. D’autre part, une étude détaillée des propriétés thermiques de ces matériaux a été réalisée par diffusion inélastique des neutrons sur poudre afin de dévoiler l’origine microscopique des très faibles valeurs de conductivité thermique de réseau mesurées / The homologous series of compounds of general chemical formula (PbSe)5(Bi2Se3)3m with m = 1, 2 et 3 is characterized by a lamellar crystal structure where PbSe layers alternate with m Bi2Se3 layers. These compounds, that can be found as minerals, have recently focused attention for thermoelectric applications owing to their remarkable ability to poorly conduct heat. In order to evaluate their thermoelectric performances, the present work dealt with their synthesis by powder metallurgy techniques followed by measurements of their transport properties not only at low temperatures (2 – 300 K) with the aim to identify the basic mechanisms governing the transport but also at high temperatures (300 – 723 K) to determine their optimum temperature range. A detailed study of their crystalline structure has been carried out by a combination of X-ray diffraction on high-quality single crystals and high-resolution transmission electron microscopy. Measurements of their transport properties have confirmed the potential of these materials for power generation applications at mid temperatures. Numerous substitutions have been studied to optimize further their thermoelectric performances. The elements in substitution have been chosen to either increase (m = 1) or decrease (m= 2 and 3) the electron concentration. This work has demonstrated for the first time the possibility to dope these materials with various elements such as iodine, sodium, silver or tellurium. Moreover, a detailed study of the thermal properties of these compounds has been performed by means of powder inelastic neutron scattering in order to unveil the microscopic origin of the very low lattice thermal conductivity values measured

Cette thèse se concentre sur l'étude de l'impact de divers défauts de réseau, c'est-à-dire de dislocations, de parois entre phases inversées, de décalages de mailles et de gaps, sur la conductivité thermique de nano-fils par simulation de dynamique moléculaire et les calculs de fonctions de Green atomiques. Tout d'abord, nous calculons la conductivité thermique de nano-fils de silicium orientés <110> incluant une dislocation spirale par la dynamique moléculaire de non-équilibre. Nous constatons qu'avec l'inclusion d'une dislocation, le taux de diffusion phonon-phonon est amélioré de façon significative en raison de l'existence du champ de déformation induit. Ce processus de diffusion anharmonique augmente avec le vecteur de Burger. Par conséquent, la conductivité thermique de nano-fils disloqués est largement réduite et le pourcentage de réduction est proportionnel à la grandeur du vecteur de Burger. Deuxièmement, le concept de nano-fils de super-réseau anti-phase est proposé et leur conductivité thermique est étudiée avec la dynamique moléculaire d'équilibre. On constate que la frontière anti-phase peut diffuser fortement les phonons et réduire la vitesse de groupe des phonons. Le jeu entre le transport cohérent de phonons et la diffusion de surface conduit à une conductivité thermique minimale à une période de longueur spécifique. La combinaison de la diffusion des phonons à l'interface et la diffusion de surface des nanofils réduit la conductivité thermique de SiC de deux ordres de grandeur, ce qui est d'un grand intérêt pour les applications en thermoélectricité. Troisièmement, nous démontrons que le transport des phonons peut être entravé en grande partie dans un nano-fil de Si avec une structure en zig-zag périodique. Une conductivité thermique plus faible est observée du fait d'un pur effet géométrique, qui produit une disparition complète des directions principales de polarisation de phonon à une période de longueur spécifique. La conductivité thermique minimale et la longueur de période correspondante sont dépendantes du diamètre. L'avantage de cette structure est qu'elle supprime en grande partie le transport thermique sans détériorer le transport d'électrons. Enfin, la transition entre la conduction de la chaleur et le rayonnement de champ proche dans un système de chaîne de clusters de SiO2 est étudiée avec la méthode des fonctions de Green. Trois régions de variation de la conductance dans ce domaine de largeur de gap sont identifiées, plus particulièrement, la région liée à la conduction où les électrons des deux corps sont mis en commun au milieu du gap, la région de champ proche prédominée par des interactions de charges de surface, et la région de champ proche prédominée par des interactions dipôle-dipôle de volume. Cette étude fournit finalement une description de la transition entre le rayonnement et la conduction de la chaleur dans les gaps de dimensions inférieures à quelques nanomètres. / This thesis is focused on the investigation of the impact of various lattice defects, i.e., screw dislocations, anti-phase boundaries, twinning boundaries, and vacuum gaps, on the thermal conductivity of nanowires by molecular dynamic simulations and Green's function calculations. We firstly calculated the thermal conductivity of <110> Si nanowires with a screw dislocation in the center through non-equilibrium molecular dynamics.We find that with the inclusion of a dislocation, the phonon-phonon scattering rate is enhanced dramatically due to the dislocation-induced strain field. This anharmonic scattering process increases with the Burger's vector. As a result, the thermal conductivity of dislocated nanowires is largely reduced and the reduction percentage is proportional to the magnitude of Burger's vector. Secondly, the concept of anti-phase superlattice nanowire is proposed and its thermal conductivity is investigated with equilibrium molecular dynamics. It is found that the anti-phase boundary can strongly scatter phonons and reduce the phonon group velocity. The interplay between phonon coherent transport and boundary scattering results in a minimum thermal conductivity at a specific period length. The combination of anti-phase boundary scattering and nanowire surface scattering reduces the thermal conductivity of SiC by two orders of magnitude, which is of great interest for potential thermoelectric applications. Thirdly, we demonstrate that phonon transport can be hindered to a large extent in a Si nanowire with periodically distributed twinning boundaries. A minimum thermal conductivity is observed due to a pure geometrical effect, which produces a thorough disappearance of favored phonon polarization directions at a specific period length. The minimum thermal conductivity and the corresponding period length are diameter dependent. The advantage of this structure is that it largely suppresses the thermal transport without deteriorating the electron transport. Finally, the transition from heat conduction to near field radiation in a SiO2 cluster chain system is investigated with the phonon Green's function. Three conductance variation regions within the studied distances are identified, more specifically, the heat conduction region with shared electrons in the middle of a gap, the near field region predominated by surface charge interactions, and the near field region predominated by volume dipole-dipole interactions. This study finally provides a description of the transition between radiation and heat conduction in gaps smaller than a few nanometers.

L’intérêt pour les propriétés thermiques de matériaux nanostructurés est croissant. Ces matériaux sont conçus pour être inclus dans les dispositifs micro-électroniques et les systèmes micro électromécaniques (MEMS) dont le comportement et la fiabilité dépendent fortement de l’évacuation de la chaleur générée. Les matériaux multicouches diélectrique/métal sont de bons candidats pour la conversion thermoélectrique et leur utilisation est envisagée pour diminuer les températures maximales dans les systèmes microélectroniques. La diminution de l’épaisseur des couches permet de diminuer la conductivité thermique, conduisant à un plus grand facteur de mérite de conversion thermoélectrique. Cette diminution est due à la diminution de la conductivité thermique intrinsèque de chaque couche lorsque leur épaisseur décroit jusqu’à des dimensions du même ordre de grandeur que le libre parcours moyen des porteurs de chaleur et à l’influence croissante de la conductance d’interface. La prédiction de la conductivité thermique de tels systèmes passe donc par une simulation fiable du transfert de chaleur aux interfaces. La dynamique moléculaire (DM) est un outil particulièrement bien adapté à ce type d’études. Cependant les résultats des simulations dépendent fortement des potentiels interatomiques utilisés. La comparaison des propriétés prédites à l’aide des différents potentiels interatomiques avec les valeurs expérimentales permet de valider les potentiels pour prédire les propriétés concernées. Dans le premier chapitre, les fonctions mathématiques et les paramètres utilisés dans les potentiels interatomiques sont explicités. Dans le deuxième chapitre, l’objectif est de proposer une méthodologie pour sélectionner les potentiels les plus appropriés pour les études de transfert de chaleur. Cette méthodologie est illustrée pour le Si qui est le semi-conducteur le plus utilisé au sein de dispositifs microélectroniques et MEMS ainsi que pour l’Au, l’Ag et le Cu qui sont les métaux les plus souvent considérés. La conductivité thermique du Si massif est calculée, en utilisant la dynamique moléculaire hors d’équilibre (DMNE) avec trois potentiels parmi les cinq évalués précédemment pour valider cette évaluation. Le système diélectrique/métal qui a été le plus étudié avec la dynamique moléculaire mais également de manière expérimentale jusqu’à présent est certainement le système Si/Au. Les films de Cu et Ag sur des substrats de Si orienté sont les principales combinaisons dans les circuits intégrés de grande échelle. Une paramétrisation du potentiel de type MEAM est développée pour calculer les interactions Si/Au, Si/Ag et Si/Cu dans la troisième partie de ce travail. Les potentiels croisés sont utilisés pour prédire la conductance d’interface et développer les courbes de densité d’états pour les interfaces Si/Au Si/Ag et Si/Cu. / Interest in thermal properties of nanostructuredmaterials is growing. These materials are designed to be included in microelectronic devices and micro electromechanical systems (MEMS) whose behavior and reliability depend strongly on the dissipation of generated heat. Multilayer materials dielectric/metal are good candidates for thermoelectric conversion and their use is considered to reduce the maximum temperatures in microelectronic systems. The decrease in the thickness of the layers reduces the thermal conductivity, leading to a larger figure of merit of thermoelectric conversion. This decreasing is due to the decrease of intrinsic thermal conductivity of each layer when the thickness decreases to the dimensions of the same order of magnitude as the mean free path of heat carriers and bigger influence of the interface conductance. Predicting the thermal conductivity of such systems therefore requires a reliable simulation of heat transfer at interfaces. Molecular dynamics is a tool particularly well suited to this type of study. However the simulation results depend strongly on interatomic potentials used. The comparison of properties predicted using different interatomic potentials with experimental results validates the potential for predicting the properties concerned. In the first chapter, the mathematical functions and parameters used in the interatomic potentials are explained. In the second chapter, the objective is to propose a methodology to select the most appropriate potential for studying heat transfer. This methodology is illustrated for Si, the semiconductor most used in microelectronic devices and MEMS as well as for Au, Ag and Cu which are the metals most often seen. The thermal conductivity of bulk Si is calculated using the nonequilibrium molecular dynamics with three potential among the five previously evaluated to confirm this assessment. The system dielectric/metal that has been most studied with molecular dynamics but also experimentally is certainly the system Si/Au. The Cu and Ag films on oriented Si substrates are in the main combinations of large-scale integrated circuits. A parametrisation of MEAM cross-potential is developed to calculate interactions Si/Au, Si/Ag and Si/Cu in the third part of this work. The cross-potentials are used to predict the interfacial thermal conductance and to predict the density of states curves for the interfaces Si/Au Si/Ag and Si/Cu.

Les matériaux thermoélectriques (TE) offrent la possibilité de convertir directement un flux de chaleur en courant électrique pour recycler la chaleur perdue, par exemple par nos automobiles. Les skutterudites AyFe4-xCoxSb12, (A = Ce, Yb, …, 0 ≤ y < 1; x < 4) sont déjà de bons matériaux thermoélectriques dans le domaine de température 400–800K. Pour améliorer le coefficient Seebeck, des nano-inclusions de InSb ou GaSb (~50 nm) ont été générées à l’étape de frittage flash dans Ce0,3Fe1,5Co2,5Sb12 de type p. Elles n’ont pas eu l’effet escompté de filtrage en énergie des trous mais ont conduit à l’insertion de ~ 0,1 mol d’indium ou de gallium dans Ce0,3Fe1,5Co2,5Sb12 et à un facteur de mérite TE amélioré ZTmax = 0,7 (+ 20%) dans les deux cas . Pour réduire la conductivité thermique et améliorer leur performances TE, nous avons entrepris d’élaborer pour Co0,91Ni0,09Sb3 et Yb0,25Co4Sb12 de type n des microstructures à grains ultrafins (~ 100 nm) par broyage à haute énergie et frittage flash (SPS). Pour inhiber la croissance des grains lors du frittage, nous avons utilisé des additifs nanométriques (10 – 20nm), soit ajoutés ex-situ (CeO2, SiO2), soit générés in-situ (Yb, Yb2O3). Des facteurs de mérite TE ZTmax = 0,8 (+ 30%) et ZTmax = 1,4 ( + 10%) ont été obtenus respectivement pour Co0,91Ni0,09Sb3 et Yb0,25Co4Sb12 / The thermoelectric materials (TE) offer the possibility to convert a heat flow into an electric current for recycling heat wasted for example, by our automobiles. AyFe4-xCoxSb12 skutterudites, (A = Ce, Yb, …, 0 ≤ y < 1; x < 4) are already good thermoelectric materials in the 400 – 800 K temperature range. To improve the Seebeck coefficient, nano-inclusions of InSb or GaSb (~ 50 nm) were introduced during the spark plasma sintering step in p type Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12. They did not led to expected charge carriers energy filtering and but led to the insertion of ~ 0.1 mol of indium or gallium in Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12 and to figure of merit improved by 20 % (ZTmax = 0.7) in both cases. To reduce the thermal conductivity and improve their TE performance, we have developed for n type Co0.91Ni0.09Sb3 et Yb0.25Co4Sb12 an ultrafine grained microstructure (~ 100 nm) by high energy milling and spark plasma sintering (SPS). To inhibit grain growth during sintering, we used nanoscale additives (10 – 20nm) either added ex-situ (CeO2, SiO2) or precipitated in-situ (Yb, Yb2O3). The figure of merit ZTmax = 0,8 (+ 30%) et ZTmax = 1,4 ( + 10%) were thus obtained respectively in Co0,91Ni0,09Sb3 and Yb0,25Co4Sb12

Le travail présenté dans cette thèse porte sur la synthèse et les caractérisations thermiques et rhéologiques d’un nouveau type de nanofluide : le système Cu2O/Glycérol. La caractérisation est faite en fonction de la taille des particules mises en suspension, de la température et de la fraction volumique solide. Ce travail a nécessité la synthèse des nanoparticules et des nanofluides par la méthode de décomposition thermique des précuseurs organométalliques, qui présente un bon rendement en quantité de nanoparticules (17%). Et le montage d’un dispositif de caractérisation thermique utilisant la méthode 3ω. Finalement, nous avons passé à la caractérisation rhéologique et thermique de ces échantillons. Les résultats obtenus avec ce nouveau système sont intéressants, car l’augmentation de la conductivité thermique atteint des valeurs importantes : 120% et 35% respectivement pour des fractions volumiques aussi faibles que 0,625% et 0,078% de nanoparticules de 7 nm de diamètre, sans influence notable sur la viscosité du fluide hôte, permettant une bonne amélioration du bilan énergétique total. Nous avons observé que la concentration et la taille (surface) des nanoparticules sont des paramètres clefs du comportement de la conductivité thermique effective du nanofluide Cu2O/Glycérol. Nos mesures nous ont permis de déduire la prédominance des modifications de la surface des nanoparticules (par fonctionnalisation ou par réaction chimique secondaire) sur le mouvement brownien dans les transferts thermiques nanoparticules/ fluide hôte. / The work presented in this thesis involves the synthesis and thermal and rheological characterization of a new type of nanofluid : the Cu2O/glycerol system. The characterization was carried out as a function of the size of the particles in suspension, the temperature and the volume fraction of nanoparticles. The nanoparticles and nanofluids were synthesised by the thermal decomposition method, providing a good yield of nanoparticles (17%). Apparatus for thermal measurements using the 3ω method was constructed, and rheological and thermal characterization was carried out. Significant increases in thermal conductivity were observed : 120% and 35% for volume fractions as low as 0.625% and 0.078%, respectively, of 7-nm-diameter nanoparticles, without noticeable effect on the viscosity of the host fluid, leading to a considerable improvement in the energy content.We found that the concentration and surface area of the nanoparticles are key parameters influencing the behaviour of the effective thermal conductivity of the nanofluid. Surface modification of the nanoparticles by functionalization or secondary chemical reactions has a profound effect on the Brownian motion in the heat transfer between nanoparticles and fluid host.