Le sulfure de zinc est l'un des premiers semiconducteurs découverts. Il a un grand potentiel d’applications grâces à ses propriétés physicochimiques. Il est intensément utilisé dans des applications optoélectroniques, photocatalytiques et pour la détection de gaz. En particulier, il est utilisé pour des applications photovoltaïques. Dans ce contexte, nous avons commencé par l’étude de l’effet du dopage par des métaux de transition (manganèse, cobalt et cuivre) sur les propriétés structurales, microstructurales, morphologiques, optiques, électriques et magnétiques des couches minces de sulfure de zinc préparées par la technique de dépôt chimique en solution (chemical bath deposition (CBD)) par diffraction aux rayons X, spectroscopie photoélectronique X, spectroscopie Raman, spectroscopie infrarouge, microscopie électronique à balayage, spectrophotométrie UV-Vis-NIR, effet Hall et SQUID. En second lieu nous avons étudié l’effet de la variation de l’épaisseur des couches formant la cellule photovoltaïque à base de Cu(In,Ga)Se2 par la simulation numérique à deux dimensions sous éclairement AM1.5 de puissance 100 mW/cm2 effectué sous Silvaco ATLAS / Zinc sulfide is one of the first semiconductors discovered. It has great potential application thanks to its physicochemical properties. It is used extensively in optoelectronic, photocatalytic and gas detection applications. In particular, it is used for photovoltaic applications. In this work, the effect of doping by transition metals (manganese, cobalt and copper) on the structural, microstructural, morphological, optical, electrical and magnetic properties of zinc sulfide thin films prepared by chemical bath deposition (CBD) technique are studied by X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, UV-VIS-NIR spectrophotometry, Hall effect and SQUID. The modeling and optimization of higher efficiency Cu(In,Ga)Se2 solar cells are also investigated in this thesis for various layers thickness by using Silvaco ATLAS

L’incorporation de fibres de carbone greffées avec des nanotubes de carbone (CNTs-CF) dansune matrice polymère permet d’obtenir des matériaux avec des propriétés mécaniques, des propriétés de conductivité électrique et de conductivité thermique notamment améliorées. Ces matériaux sont des candidats idéaux pour être intégrés dans des applications fonctionnelles et même structurales dans les domaines de l’industrie aéronautique, de l’industrie automobile, de la défense et de l’industrie des produits pour le sport. L’objectif (des travaux menés au cours) de cette thèse de Doctorat est d’établir une technique efficace de production de matériaux composites possédant des propriétés multifonctionnelles. Nous étudions l’adaptation d’une technique de dépôt de polymère par plasma sur la surface de fibres de carbone (CFs) puis sur la surface de CNT-CFs. Le dépôt de polymère par plasma sur la surface CNT-CFs est ici recherché non pour des raisons de sécurité, certainement avantageuses, mais pour conférer les propriétés des nanotubes de carbone à l’ensemble du matériau composite. Dans le premier chapitre, nous proposons un tour d’horizon des 2 sujets majeurs de notre étude : (1) les matériaux composites et leurs applications (2) les applications des plasmas pour procédés de traitement des matériaux. Dans le deuxième chapitre, nous présentons la procédure expérimentale du traitement plasma des fibres, ainsi que le schéma détaillé du mécanisme permettant de manipuler les échantillons. Nous précisons aussi les procédures suivies pour la caractérisation chimique, électrique et mécanique des fibres et des matériaux composites. Dans le troisième chapitre, nous évaluons les effets des variations de 2 et de 3 paramètres (par exemple la puissance plasma utilisée, la durée d’exposition et la nature des précurseurs) sur la résistivité électrique des fibres de carbone (CFs) et des fibres de carbone greffées de nanotubes de carbone (CNTs-CF) par la méthodologie des surfaces de réponse. D’après cette étude pour l’optimisation du procédé, nous étudions les principaux facteurs et les interactions entre les différents paramètres. Nous montrons les variables (ou facteurs) qui ont la plus grande influence sur la résistivité électrique sur les 2 types de fibres de carbone. Dans le quatrième chapitre, nous traitons des études de caractérisations des fibres de carbone par XPS (composition chimique), MEB (microstructure), AFM (topologie, rugosité) et TGA (stabilité thermique, cinétique de dégradation). Il s’agit de fournir une meilleure compréhension des structures obtenues sur de telles fibres dans des domaines allant du macroscopique jusqu’au niveau de l’atome. Nous analysons aussi des échantillons avant traitement pour comparer les différences morphologiques et chimiques avec les échantillons traités par plasma. Finalement, dans le cinqième chapitre, nous étudions les proprieties mécaniques et électriques des échantillons de matériaux composites élaborés à partir de fibres non-traitées et des fibres traitées par dépôt plasma de polypyrrole (sur CFs et CNTs-CF). A partir des essais mécaniques et des mesures électriques, nous concluons sur les améliorations apportées par le traitement plasma. / The incorporation of carbon nanotubes grafted carbon fibers (CNTs-CF) into polymermatrices provides highly-enhanced mechanical, electrical, and thermal properties to the materials. They are ideal candidates to be integrated into structural and functional applications in the fields of aerospace, automobile, defense, and sport industries. The aim of this PhD thesis is to establish an efficient technique to produce carbon fiber composites with multifunctional properties. We study the adaptation of a plasma technique for polymer deposition on the surface of carbon fibers (CFs) and carbon nanotubes grafted carbon fibers (CNTs-CF). The plasma polymer deposition on CNTs-CF is not performed only to keep nanotubes on the carbon fiber surface for safety reasons, but it is also applied to retain the bulk properties of those materials. In the first chapter, we give an overview of the two major subjects of the study: (1) composites and their applications, (2) plasma application for materials processing. In the second chapter, we present the experimental procedure of the plasma treatment process of fibers including the detailed design of the plasma system for the treatment of these samples. Then we explain the procedures of several sorts of characterization studies of fibers and composites (e.g. chemical, electrical, and mechanical). In the third chapter, we evaluate the effect of double and triple varied process parameters (i.e. plasma power, exposure time and precursors) on electrical resistivity of CFs and CNTs-CF by response surface methodology. According to the optimization studies we investigate the main factors and the interactions between the different process parameters and we demonstrate which variable (or factor) has the greatest effect on the electrical resistivity of both types of the treated carbon fibers. In the forth chapter, we deal with the characterization studies of the plasma treated CFs and CNTs-CF by using XPS (chemical structure), SEM (microstructure), AFM (topography, roughness), and TGA (thermal stability, degradation kinetics) in order to provide better understanding of the obtained structures on such fibers in a domain ranging from macroscopic to atomic scales. We also analyze the untreated samples to compare mainly the chemical and morphological differences between unmodified and plasma modified fibers. Finally, in the fifth chapter, we study the mechanical and electrical properties of untreated and plasma polypyrrole treated CFs and CNTs-CF reinforced composites experimentally. According to the electrical and mechanical tests, we determine the healing effect of plasma surface treatment performed on CFs and CNTs-CF.

L’industrialisation des cellules photovoltaïques organiques implique le développement de plusieurs aspects. Une augmentation des rendements de conversion, une amélioration de la stabilité et la mise au point de procédés de dépôt en ligne. Ce dernier point va passer par le développement de dépôt par voie liquide des différentes couches composant les dispositifs. Dans ma thèse je vais m’intéresser à un type de couche, les couches de transport de charges. Ces couches sont disposées entre la couche photo-active et les électrodes afin d’améliorer l’extraction des charges générées au sein de la première vers ces dernières. Je vais focaliser mon étude sur les couches de transport de trous. Afin de remplacer le matériau couramment utilisé (PEDOT:PSS), on utilise souvent les oxydes de métaux de transition.Ces matériaux habituellement évaporés, sont déposables en voie liquide à partir de suspensions de nanoparticules, ou de précurseurs (ex: sol-gel). J’ai développé 3 approches au cours de ma thèse. Dans la première, un dépôt par voie sol-gel d’oxyde de tungstène ou de vanadium a permis d’obtenir des rendements similaires à ce qui est obtenu avec les mêmes matériaux évaporés. Dans la deuxième approche un dépôt d’oxyde de cobalt (II, III),m’a permis d’améliorer l’extraction des charges. Néanmoins le matériau présente des difficultés de mise en forme ne permettant pas d’atteindre des rendements à l’état de l’art.Finalement une approche plus originale a été développée, une diffusion induite thermiquement d’un dopant, déposé par voie liquide à l’interface organique/métal m’a permis d’obtenir des rendements similaires à ce qui est obtenu avec des structures classiques. / In order to allow the industrialisation of organic photovoltaic cells, power conversion efficiency must be increased, stability must be improved, and in-line deposition processing (solution processing of each layer) must be developed. This work presents the development of solution-processed interlayers, layers inserted between the photoactive organic layer and electrodes in order to enhance charge extraction. This study is focused on the hole transport layer and, in particular, the replacement of the commonly used material PEDOT:PSS. A frequent approach to achieve this is the use of transition metal oxide layers such as MoO3 orV2O5. These oxides are usually deposited by evaporation but can be solution-processed from precursor solutions (e.g. sol-gel) or nanoparticle suspensions. This work considers three approaches. In the first, the use of sol-gel deposited tungsten or vanadium oxide led to an enhancement of hole extraction, allowing efficiencies in the range of what is expected for state of the art materials to be reached. The second approach involved the use of solution processed cobalt oxide. Although the use of this material enhanced charge extraction, due to a deposition issue, efficiency did not reach expected value. Finally, thermally induced diffusion of a solution-processed dopant was utilised, which is a novel approach. The dopant deposited at the organic/metal interface enhances hole extraction and leads to power conversion efficiencies similar to reference cells incorporating an evaporated metal oxide interlayer.

Ce travail vise à accroître la compréhension et la maîtrise des processus d'ablation laser en régime femtoseconde en s'appuyant sur l'étude, en particulier spectroscopique, de l'émission optique du panache de matière ablatée par des impulsions dont on contrôle la fluence laser et la forme temporelle. Le chapitre 1 consiste en une synthèse de la bibliographie sur l'ablation en régime femtoseconde en partant de l'absorption de l'énergie optique par le système électronique, jusqu'à la thermalisation des électrons et des ions et à l'évolution thermodynamique consécutive subie par le matériau irradié. Les conséquences induites sur les produits de l'ablation et sur la formation du plasma sont abordées. L'ensemble du dispositif expérimental mis en jeu dans cette étude est présenté au chapitre 2 avec en particulier la description de la mise en forme temporelle des impulsions laser par la modulation spectrale de leur phase à partir d'un modulateur spatial de lumière. Les chapitres 3 et 4 présentent les résultats de l'étude des panaches d'ablation respectivement induits à partir de cibles d'aluminium et de laiton. Une attention particulière est portée à l'influence de la mise en forme temporelle des impulsions et plusieurs optimisations de l'interaction sont décrites. Dans le cas de l'aluminium, les données expérimentales sont confrontées aux résultats de simulations numériques afin de proposer des schémas d'interprétation du phénomène d'ablation en régime femtoseconde et de sa réponse à la mise en forme temporelle des impulsions laser. Ces études ont permis de montrer la possibilité de modifier le couplage énergétique entre les impulsions laser et la cible irradiée, d'influencer les proportions de matière éjectée sous forme liquide et sous forme atomisée, de contrôler l'état d'excitation du panache d'ablation et enfin de maîtriser la génération de micro et nanoparticules. Le chapitre 5 clôture ce travail par une analyse de la structuration périodique induite à la surface de cibles métalliques en régime femtoseconde puis en fonction de la forme temporelle employée pour le dépôt énergétique. Ce dernier chapitre permet de compléter l'étude des comportements de la matière éjectée par une exploration des structures adoptées par la matière non-ablatée.

Le matériau composite Cu/NFC (Nano Fibre de Carbone) peut être utilisé en tant que drain thermique par les industriels de l'électronique de puissance. En remplacement du cuivre, il doit combiner une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation thermique adapté à celui de la céramique du circuit imprimé (alumine ou nitrure d'aluminium). Après avoir étudié les propriétés de la matrice cuivre et des NFC, plusieurs méthodes de synthèse du composite Cu/NFC ont été développées. Le composite a tout d'abord été élaboré par métallurgie des poudres. Puis, dans le but d'améliorer l'homogénéité, il a été envisagé de revêtir individuellement chaque NFC par du cuivre déposé par voie chimique electroless ainsi que par une méthode originale de décomposition d'un sel métallique. Des mesures de densité et de propriétés thermiques (conductivité et dilatation) ainsi que les caractérisations microstructurales de ces matériaux montrent la complexité de l'élaboration d'un tel composite. En effet, la dispersion des nanofibres, la nature des interfaces fibres/matrice et surtout les phénomènes thermiques à l'échelle nanométrique sont autant de paramètres à contrôler afin d'obtenir les propriétés recherchées. La simulation numérique et analytique, qui a été mise en oeuvre en parallèle a été corrélée aux résultats expérimentaux, afin de prédire les propriétés finales de nos matériaux.

L'objectif de cette étude est le développement et la mise au point d'un procédé de projection de poudres de silicium par plasma thermique inductif, afin d'élaborer des couches minces à finalité photovoltaïque. Les particules sont injectées dans l'écoulement où elles sont fondues, purifiées par évaporation partielle puis déposées à l'état liquide sur un substrat de type céramique. Le processus de purification des poudres dans le plasma ainsi que la pureté des dépôts obtenus ont été observés par des analyses chimiques ICP et EDX... L'hydrogénation des couches de silicium a également été analysée par des mesures d'exodiffusion et corrélée avec les différents paramètres du procédé. L'analyse des propriétés du plasma d'argon faiblement hydrogéné en présence des poudres de silicium a été réalisé par spectroscopie d'émission afin de mettre en évidence les espèces excitées présentes dans la décharge et réaliser un diagnostic énergétique de l'écoulement. Les mesures ont montré la présence d'hydrogènes radicalaires hautement excités, à l'origine de le passivation des dépôts de silicium. De plus, la détection de raies d'émissions du silicium et d'impuretés confirme le processus de purification de la poudre par évaporation. Le diagnostic du plasma a montré que la densité et la température électronique étaient maximales au niveau de la zone d'induction. Les propriétés du plasma ont également été déterminées par modélisation numérique. Les profils obtenus permettent d'interpréter les processus de transfert de masse et de chaleur entre le plasma et la particule de silicium en écoulement. Les interactions plasma - particules ont été analysées expérimentalement par des mesures de vitesse et de diamètre par métrologie laser Doppler. Les résultats indiquent que les particules subissent une perte de masse d'environ 12% pour un temps de séjour de 15 ms dans le plasma.

Les propriétés d'auto-assemblage des films libres de tensioactifs peuvent être utilisées pour diriger l'organisation de nano-objets. Au cours de ce travail, nous avons étudié le dépôt de films libres de tensioactifs sur des substrats solides ainsi que l'insertion et l'organisation de nanoparticules dans ces films. Nous avons tout d'abord démontré que les films de différents types de tensioactifs pouvaient être transférés sur des substrats hydrophobes et atomiquement plats, par exemple sur des surfaces de silicium hydrogéné ou de silice silanisée. Les caractérisations par réflectivité des rayons X et par AFM ont prouvé que l'organisation moléculaire des films libres était préservée lors du dépôt. Nous nous sommes alors intéressés à l'insertion et l'organisation de nanoparticules à l'intérieur des bicouches de tensioactifs ainsi déposées. Dans un premier temps, des nanoparticules ont été déposées individuellement. La densité de nanoparticules sur la surface peut être contrôlée par ce procédé. Dans un second temps, nous avons joué sur les interactions entre les tensioactifs stabilisant les films libres et les nano-objets pour obtenir des monocouches denses et organisées de particules. Des monocouches denses de nanoparticules d'or sont déposées sur des substrats de silicium hydrogéné et leur surface peut atteindre plusieurs dizaines de µm². Après un certain temps de repos, les films libres s'approchent de l'équilibre et les nanoparticules s'organisent en structures de plus en plus compactes. Les interactions présentes dans le système étudié sont également applicables à d'autres nanoparticules métalliques ou d'oxydes métalliques.

Ce travail est motivé par un problème technologique (et économique) pour l'amélioration des écrans à tube cathodique et plus précisément du masque qui est une grille dont les trous permettent de diriger le faisceau électronique vers photophores situés sur la dalle de verre :<br />l'écran. L'apport d'énergie des électrons qui se déposent sur le masque entraîne son échauffement et du coup sa déformation nuisant à la qualité de l'image. La solution que nous avons<br />étudiée consiste à déposer des couches minces de matériaux choisis, entre autres, pour leurs propriétés thermiques. Cette thèse comporte deux parties :<br /><br />- La première consiste à modéliser l'échauffement du masque soumis au balayage électronique et vérifier si les solutions proposées permettent de réduire les gradients thermiques. En s'appuyant sur un calcul d'homogénéisation, nous avons proposé une formulation du comportement thermique de matériau sans couches minces prenant en compte la présence des trous sur le masque. Ensuite, nous avons étudié le problème d'évolution bidimensionnel obtenu en intégrant sur l'épaisseur du masque. A l'issu du travail précédent, une étude de l'influence de la présence des couches de différents matériaux sur la propagation latérale de la chaleur a été menée.<br /><br />- L'objectif de la seconde partie est la mise au point des modèles mathématiques du processus de dépôt des couches minces de matériaux sur le masque. Notre approche comprend deux types de modélisation : les modèles discrets et les modèles continus. Les modèles discrets sont basés sur des méthodes de type Monte Carlo. Les modèles continus sont décrits par des équations aux dérivées partielles stochastiques dont les solutions fournissent la hauteur du<br />dépôt en fonction du temps et de la position. Parmi les modèles continus existants, nous avons choisi d'axer notre étude sur les modèles incluant un effet d'ombrage car ils sont à même de<br />reproduire les structures colonnaires observées expérimentalement. L'étude de l'influence des différents termes intervenant dans les 2 modèles (MC et EDP) nous a permis de proposer un nouveau modèle continu dont les solutions sont proches de celles obtenues par les méthodes de Monte Carlo. Cette étude a été menée aussi bien en 1+1D qu'en 2+1D.

Dans le contexte de la radio-protection de l'homme et de l'environnement, la bonne estimation du devenir d'une contamination d'aérosols au sein d'un couvert végétal et de son transfert éventuel aux espèces animales (dont l'homme par voie trophique) dépend d'emblée de la qualité de la prévision des dépôts aériens. En l'absence de précipitations, l'évaluation de l'importance des dépôts, dits secs, est incertaine, notamment ceux des particules fines sur les couverts rugueux, pour lesquels des écarts subsistent entre les résultats expérimentaux et des modèles de la littérature.<br />L'objectif de cette étude est d'améliorer la modélisation du dépôt sec d'aérosols sur les couverts végétaux. Cette amélioration passe par une description plus fine de la captation des aérosols par la végétation. Cela requiert une caractérisation des surfaces sur lesquelles le dépôt est réalisé (en termes de forme, d'orientation et de répartition spatiale) ainsi que des grandeurs aérodynamiques de l'écoulement porteur. Les mécanismes de dépôt pris en compte sont la diffusion brownienne, l'impaction inertielle, l'impaction turbulente, la sédimentation et l'interception. L'approche proposée s'appuie sur la description mécanique des dépôts sur chaque élément foliaire, la captation à une échelle supérieure d'organisation (rameau ou couvert) étant déduite par l'introduction d'une méthode statistique. Cette démarche est appliquée aux processus de dépôt et des expressions pratiques des taux de captation sont déduites. Le modèle est appliqué à des campagnes de mesures de la littérature, d'abord à l'échelle de rameau, puis à celle d'un couvert végétal. Dans la configuration d'un rameau de conifère, il est montré que l'ensemble des processus de dépôt est correctement pris en compte par le modèle, à l'exception de l'interception dans les conditions particulières de vitesse amont faible et de granulométrie entre 0,5 et 2 microns environ. Dans la configuration plus générale d'un couvert entier, le modèle n'est pas mis en défaut par les mesures lorsque les informations concernant le couvert et la granulométrie de l'aérosol sont accessibles. En particulier, le modèle reproduit de façon très satisfaisante les mesures de dépôt sur couvert artificiel, faiblement rugueux et collant, et ce pour des tailles de particules très variées (entre 0,1 et 20 microns environ). L'accord sur couvert d'herbes naturelles, dont les caractéristiques sont peu décrites, reste acceptable, même s'il semble que la non prise en compte du rebond par le modèle induise pour les particules les plus massives une sur-estimation du dépôt calculé. En forêt, le modèle reproduit de façon qualitativement correcte le dépôt de gouttelettes de brouillard. Dans le cas du dépôt d'un aérosol d'accumulation, la comparaison des résultats expérimentaux et de modélisation ne permet pas de conclure quant à la pertinence du modèle, la granulométrie de l'aérosol n'étant pas connue de façon assez précise. D'autres essais sont souhaitables afin d'étendre la validation du modèle sur forêt.

L'incorporation de fibres de carbone greffées avec des nanotubes de carbone (CNTs-CF) dansune matrice polymère permet d'obtenir des matériaux avec des propriétés mécaniques, des propriétés de conductivité électrique et de conductivité thermique notamment améliorées. Ces matériaux sont des candidats idéaux pour être intégrés dans des applications fonctionnelles et même structurales dans les domaines de l'industrie aéronautique, de l'industrie automobile, de la défense et de l'industrie des produits pour le sport. L'objectif (des travaux menés au cours) de cette thèse de Doctorat est d'établir une technique efficace de production de matériaux composites possédant des propriétés multifonctionnelles. Nous étudions l'adaptation d'une technique de dépôt de polymère par plasma sur la surface de fibres de carbone (CFs) puis sur la surface de CNT-CFs. Le dépôt de polymère par plasma sur la surface CNT-CFs est ici recherché non pour des raisons de sécurité, certainement avantageuses, mais pour conférer les propriétés des nanotubes de carbone à l'ensemble du matériau composite. Dans le premier chapitre, nous proposons un tour d'horizon des 2 sujets majeurs de notre étude : (1) les matériaux composites et leurs applications (2) les applications des plasmas pour procédés de traitement des matériaux. Dans le deuxième chapitre, nous présentons la procédure expérimentale du traitement plasma des fibres, ainsi que le schéma détaillé du mécanisme permettant de manipuler les échantillons. Nous précisons aussi les procédures suivies pour la caractérisation chimique, électrique et mécanique des fibres et des matériaux composites. Dans le troisième chapitre, nous évaluons les effets des variations de 2 et de 3 paramètres (par exemple la puissance plasma utilisée, la durée d'exposition et la nature des précurseurs) sur la résistivité électrique des fibres de carbone (CFs) et des fibres de carbone greffées de nanotubes de carbone (CNTs-CF) par la méthodologie des surfaces de réponse. D'après cette étude pour l'optimisation du procédé, nous étudions les principaux facteurs et les interactions entre les différents paramètres. Nous montrons les variables (ou facteurs) qui ont la plus grande influence sur la résistivité électrique sur les 2 types de fibres de carbone. Dans le quatrième chapitre, nous traitons des études de caractérisations des fibres de carbone par XPS (composition chimique), MEB (microstructure), AFM (topologie, rugosité) et TGA (stabilité thermique, cinétique de dégradation). Il s'agit de fournir une meilleure compréhension des structures obtenues sur de telles fibres dans des domaines allant du macroscopique jusqu'au niveau de l'atome. Nous analysons aussi des échantillons avant traitement pour comparer les différences morphologiques et chimiques avec les échantillons traités par plasma. Finalement, dans le cinqième chapitre, nous étudions les proprieties mécaniques et électriques des échantillons de matériaux composites élaborés à partir de fibres non-traitées et des fibres traitées par dépôt plasma de polypyrrole (sur CFs et CNTs-CF). A partir des essais mécaniques et des mesures électriques, nous concluons sur les améliorations apportées par le traitement plasma.