Cette thèse est consacrée à l'étude de films minces de cristaux liquides, et en particulier à leurs propriétés de mouillage d'une plaquette de silicium. Nous présentons tout d'abord l'étude d'une transition de mouillage prenant place au voisinage de la transition nématique-isotrope. Nous montrons que l'évolution du paramètre d'étalement de gouttes isotropes en fonction de la température suit une loi d'échelle au voisinage de la transition de mouillage, caractéristique des transitions de phase du second ordre. Au plus près de la transition, il s'avère que la structuration des premières couches moléculaires des gouttes isotropes au contact de la surface solide affecte les propriétés de mouillage à l'échelle macroscopique. De l'autre côté de la transition, des relevés ellipsométriques du profil d'épaisseur des gouttes nématiques en fonction de la température ont permis de mettre en évidence le rôle des propriétés élastiques du cristal liquide dans la transition de mouillage, en relation avec le modèle de "crêpe élastique". Nous discutons ensuite de la stabilité de films nématiques étendus, d'épaisseurs variables, en fonction de la température. Nous avons mis en évidence une épaisseur de stabilité marginale, en dessous de laquelle les films se révèlent instables, dont les variations reflètent celles du paramètre d'ordre nématique. L'étude de la dynamique des structures qui se forment à la surface libre de films instables nous permet de mettre en évidence les parentés entre cette instabilité de surface et le processus de décomposition spinodale dans les mélanges binaires. Enfin, nous présentons une étude expérimentale de la dynamique d'étalement de gouttes smectiques en relation avec le modèle d'écoulement de gouttes stratifiées de de Gennes-Cazabat.

Abstract:<p><p>Sodium bicarbonate is one of the major chemical compound used worldwide. We have studied the mechanisms presiding the crystallization of this product in order to identify the kinetic parameters.<p>To be assured of the relevancy of our experimental results, we developed new and accurate measurement techniques to follow the supersaturation and to characterize the crystal morphologies of NaHCO3 like density measurement and images analysis.<p>The systematic study of the mechanisms and the kinetic parameters of the crystallization of NaHCO3 has been conducted by the use of three different types of crystallizers conceived and built at the Department of Industrial Chemistry of ULB :a fluidized bed crystallizer, a classic MSMPR crystallizer and a bubble column. By this choice, we were able to thoroughly investigate the intrinsic phenomena occurring in the crystallization of NaHCO3 from the ideal condition to the conditions close to the industry. <p>A NaHCO3 solution is typically a three components equilibrium, NaHCO3, Na2CO3 and CO2, depending on temperature. Our developed method of density measurement allows to measure continuously the supersaturation, during the crystallization. This method permits to neglect complex side effects due to Na2CO3 or dissolved mineral impurities. Density measurements are quick, sensitive and reliable.<p>We have shown that the growth of sodium bicarbonate is widely controlled by a reaction step at 45°C (< 200 µm). A diffusion step controlled growth occurs however for large crystals (>300-425µm) which consume much less material than the small ones. We have shown that the secondary nucleation of NaHCO3 is principally dominated by the surface nucleation. <p>The shape of the crystals obtained experimentally is in agreement with the theory, and strongly related to the size of the crystals and to the presence of impurities.<p><p>Based on experience of NaHCO3 crystallization without introduction of impurity, we have demonstrated that Ca2+ and Mg2+ suppress crystallization kinetics.<p>In the end, we have taken a brief look at the precipitation of NaHCO3 by gaz-liquid reaction in a bubble column. <p><p>By a comparative and a fundamental approach, our experimental studies lead us to improve our understanding and the operational parameters of the NaHCO3 industrial refining process.<p><p>Key words: Industrial crystallization, Sodium bicarbonate, Density measurement, Fluidized bed, MSMPR, Bubble column, Crystal growth, Nucleation<p><p>Résumé: <p><p>Le bicarbonate de sodium (NaHCO3) est un produit chimique important sur le marché mondial. Nous avons étudier les mécanismes de la cristallisation de ce produit afin d'en déterminer les paramètres cinétiques. <p>Afin de garantir l'analyse la plus objective de ces phénomènes, nous avons développé des techniques de mesures originales pour la connaissance de la sursaturation et pour la caractérisation des cristaux de NaHCO3 par densimétrie et par analyse d’images. <p>L'étude systématique des cinétiques et des mécanismes de cristallisation du NaHCO3 a été réalisée au moyen de trois cristallisoirs de conception différente, développés et construits au laboratoire du Service de Chimie Industrielle de l'ULB: un cristallisoir à lit fluidisé, un cristallisoir à cuve agitée MSMPR et une colonne à bulles. Ce choix nous a permis d'approfondir notre connaissance des phénomènes intrinsèques de la cristallisation du NaHCO3 dans des conditions idéales et des conditions proches des procédés industriels. <p>Une solution de NaHCO3 est un système à l’équilibre à trois composantes, NaHCO3, Na2CO3 et CO2 fonction de la température. La mise au point de la méthode densimétrique a permis la mesure de la sursaturation en NaHCO3 en continu. Cette méthode permet de s’affranchir des complications introduites par la présence de Na2CO3 et des impuretés inorganiques en solution. Les mesures de masse volumique sont rapides, précises et sensibles.<p>Nous avons démontré que la croissance du bicarbonate de sodium est largement dominé par l'étape de réaction à 45°C (< 200 µm). L'étape de diffusion intervient cependant dans la croissance de grands cristaux (>300-425µm) qui ne sont toutefois pas les plus grands consommateurs de matière. Nous avons mis en évidence que le mécanisme de la germination secondaire du NaHCO3 est principalement une germination secondaire vraie.<p>La forme des cristaux obtenus est parfaitement en accord avec la théorie et dépend étroitement de la taille des cristaux mais également de la présence d'impuretés.<p><p>En se basant sur les expériences de cristallisation du NaHCO3 sans introduction d’impuretés, nous avons démontré les effets de ralentissement des cinétiques de cristallisation d'ions tels que Ca2+ et Mg2+ .<p>Nous avons enfin brièvement abordé la précipitation du NaHCO3 par réaction gaz-liquide dans une colonne à bulles. <p><p>Cette approche expérimentale, comparative et fondamentale a permis d'affiner notre compréhension et d’optimiser un procédé industriel de raffinage du bicarbonate de sodium.<p><p>Mots clés: Cristallisation industrielle, Bicarbonate de sodium, Densimétrie, Lit fluidisé, MSMPR, Colonne à bulles, Croissance des cristaux, Germination <p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'apparition de structures spatiales est un phénomène universel. En optique non linéaire, générer des structures transverses et contrôler leur dynamique est important non seulement d'un point de vue fondamental mais aussi d'un point de vue des applications. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette logique de caractérisation et manipulation des structures spatiales optiques, engendrées dans une expérience de valve à cristaux liquides. Une première partie est consacrée aux effets de forçages spatiaux sur la propagation de fronts, induits avec un modulateur spatial de lumière. Une étude unidimensionnelle, incluant des comparaisons avec des modèles analytiques et des résultats numériques, montre l'existence d'une région d'agrafage à l'intérieur de laquelle des états localisés de taille différente peuvent être générés. Une extension à deux dimensions est aussi présentée pour différentes géométries du forçage spatial. La seconde partie s'intéresse aux effets d'une rétroaction non locale sur les structures localisées, apparaissant en présence simultanée de diffraction et d'interférence de polarisation. Dans le cas d'un effet de translation, un phénomène d'advection des structures est observé, associé à l'apparition de singularités de phase dans leur sillage. Au-delà d'un certain taux de translation, un autre régime est atteint avec une périodicité le long de la direction de translation. Dans le cas où rotation et translation sont présentes simultanément, les modes d'auto-organisation des structures localisées présentent des analogies avec certains modes de croissance des végétaux. L'influence des différents paramètres, dont la rotation, est caractérisée sur les motifs obtenus.

Ce travail de thèse porte sur la synthèse de cristaux liquides semiconducteurs, obtenus à partir de molécules associant des unités à caractère donneur-accepteur-donneur (DAD) et substituées aux deux extrémités par une chaîne oligosiloxane. Le fort pouvoir microségrégeant des oligosiloxanes a pour effet de stabiliser, pour l'ensemble des matériaux, une phase smectique unique (désordonnée) sur une gamme de température remarquablement large (>300°C). Pour des raisons de géométrie, les partie D et A doivent se nanostructurer en phase smectique pour conduire à la formation d'une structure à lamelles D/A alternées, favorable pour des applications photovoltaïques. Les matériaux ont fait l'objet de nombreuses études, notamment pour caractériser leurs propriétés structurales, photophysiques et de transport de charge. Ces matériaux ont ainsi révélé l'existence d'un transport de charge ambipolaire avec des valeurs de mobilité de l'ordre de 10-3 cm2/Vs en phase smectique. Les tests préliminaires de conversion photovoltaïque montre l'existence d'un très faible rendement, qui démontre l'importance d'un travail ultérieur d'optimisation des conditions de dépôts et du contrôle de l'orientation des couches smectiques sur les substrats.

Cette thèse est consacrée à la conception et l'analyse théorique de différents composants en optique intégrée. Nous présentons un modèle de milieu effectif pour les cristaux photoniques (CPs) 2D qui rend compte des effets de surface, puis un algorithme pour la conception de réseaux antiréfléchissants grand-angle pour ces CPs. Ces réseaux permettent d'améliorer significativement la transmission à travers une lentille plate d'indice négatif. Nous proposons une nouvelle génération de circulateurs magnétooptiques compacts, fonctionnant dans un champ magnétique extérieur uniforme et constitués d'une cavité résonnante en anneaux circulaires couplée directement à des guides d'ondes standards. Nous généralisons la méthode multipolaire 2D aux matériaux gyrotropiques et la formulons sans « lattice sums » pour les structures périodiques. Enfin, nous décrivons en détail la méthode des éléments finis pour le calcul des modes propres des cavités 3D en anneaux circulaires et matériaux gyrotropiques.

Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à l'élaboration de cristaux photoniques colloïdaux d'architecture contrôlée afin d'étudier leur effet sur les spectres de photoluminescence de luminophores. Notre stratégie a été d'incorporer les émetteurs au sein des particules de silice composant les cristaux colloïdaux de façon à les répartir de manière homogène dans l'ensemble des matériaux. Nous présentons la synthèse des précurseurs minéraux et l'élaboration de cristaux colloïdaux d'épaisseur contrôlée à la couche près grâce à la technique de Langmuir-Blodgett. Ces structures sont caractérisées par une bande interdite qui affecte la propagation de la lumière. L'insertion d'une couche de particules de diamètre différent dans un cristal colloïdal induit l'apparition d'une bande passante au sein de la bande interdite. Nous avons ainsi étudié l'influence de la structure de cristaux avec et sans défaut(s) sur les spectres d'émission de différents luminophores. Nous avons observé une inhibition et une exaltation locale de la lumière émise dans les zones spectrales correspondant respectivement aux bandes stoppante et passante. Nous avons également observé des modifications réversibles des spectres de photoluminescence des émetteurs, lorsque ceux-ci sont incorporés au sein de cristaux colloïdaux dont les propriétés optiques peuvent être modulées via l'application d'un stimulus extérieur.

Ce travail de thèse constitue une contribution théorique et expérimentale aux études sur les cristaux photoniques et leur utilisation en optique non linéaire. Dans ce travail, nous avons étudié les propriétés de dispersion de ces cristaux afin de les utiliser dans des structures en matériaux présentant de grandes non linéarités optiques. Des modélisations ont été effectués dans des structures à 1D d'épaisseur finie pour étudier facilement l'influence des divers paramètres et ont permis de dimensionner une structure guidante gravée dans une couche de GaN déposée sur saphir pour l'exaltation de la génération de la seconde harmonique : une ébauche de réalisation est présentée. Des techniques non destructives de couplage par la surface- ellipsométrie spectroscopique et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (s-FTIR)- ont été utilisées pour caractériser des cristaux photoniques 2D réalisés dans des substrats de SOI. Aux grandes longueurs d'ondes, elles nous ont permis de déterminer leur facteur de remplissage avec une grande précision. Elles ont également permis de tracer les courbes de dispersion expérimentales des cristaux photoniques, qui se sont trouvées en bon accord avec les courbes théoriques. Les résultats obtenus par ces méthodes et l'analyse des conditions aux limites aux interfaces cristal photonique / guide ont de plus permis de mettre en évidence les modes des cristaux photoniques situés sous le cône de lumière et supposés jusqu'ici invisibles en optique diffractive. Ces techniques permettent de plus de déterminer les meilleures conditions expérimentales (zones de faible vitesse de groupe, de couplage efficace avec des faisceaux excitateurs) pour observer des effets non linéaires renforcés. Nous avons donc montré que l'utilisation de techniques de couplage par la surface, précises et non destructives, permet l'exploration de zones gravées périodiquement et l'étalonnage rapide des différents facteurs à optimiser lors d'un procès de fabrication ou de remplissage des trous de dispositifs photoniques pour l'optique non linéaire.

Ce mémoire concerne l'utilisation de matériaux non-linéaires optiques dans les cristaux photoniques (CPs) destinés à la limitation optique. En effet, le couplage entre des effets de type cubique (effet Kerr) ou de changement de phase et les phénomènes complexes de diffraction dans les CPs peut mener à des basculements ultra-rapides et auto-déclenchés d'un état transparent vers un état opaque.<br />Dans ce but, de nouvelles méthodes de simulation numérique ab-initio, évolutions de la Fast Fourier Factorization (FFF), et de la Matrix Scattering Method (MSM), sont développées et utilisées. Elles permettent de traiter rigoureusement le cas d'inclusions nonlinéaires inhomogènes ainsi que de traiter l'échauffement d'un CP lors d'une illumination par impulsion laser nanoseconde.<br />Dans la dernière partie du mémoire, la précision de l'approximation homogène est étudiée et partiellement remise en cause. Finalement, une solution de limiteur optique à cristal photonique est donnée.

Cette thèse est consacrée à l’étude de processus de concentration de solutions colloïdales par voie microfluidique, pour former des matériaux denses et structurés. A partir d’un outil basé sur la perméation de l’eau à travers le PDMS : le microévaporateur, nous proposons de contrôler le séchage de solution pour maîtriser la concentration de solutés afin de former des états denses organisés au choix, alternant cristaux et états amorphes de colloïdes. En adaptant les outils de microévaporation à différentes techniques d’observations, la nucléation et la croissance d’états denses ont été finement étudiées et correlées à un modèle simple de la microévaporation. Ces études expérimentales ont montré le contrôle précis qu’apporte le microévaporateur sur les cinétiques de concentration d’espèces chimiques pour la formation d’états denses de particules.Des études complémentaires ont aussi mis en évidence l’existence d’une dynamique de construction de cristaux colloïdaux avec des réorganisations au niveau du front ainsi qu’un effet de compaction présents lors de la croissance de l’état dense. / This work is devoted to studying processes of colloidal solutions concentration by microfluidic way to shape dense and organized states. Using a tool based on the water permeation through the PDMS: the microevaporator, we propose to control drying of solution for controlling solute concentration to form dense states as one chooses, alternating crystals and amorphous states of colloids.By adapting microevaporation tool at different observation techniques, nucleation and growth are particularly studied and correlated to a simple microevaporation model. This experimental work demonstrates the good control on kinetics of chemical species concentration offered by microevaporation, in order to shape dense states of particles.Further studies also reveal existence of a dynamic construction of colloidal crystal with some reorganization in the front growth and a compaction effect of the dense state during the growth.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.