Les techniques de microscopie en champ proche se sont fortement diversifiées au cours des dernières années et ne sont plus désormais cantonnées aux seuls laboratoires experts dans le domaine mais sont exploitées plus largement par les spécialistes des matériaux et des 'micro-' ou 'nano-'objets. Pour ce qui concerne les matériaux diélectriques, des techniques dérivées de la microscopie à force atomique -AFM-, telles que la microscopie à force électrostatique -EFM, ou à force de Kelvin -KFM, permettent d'obtenir de nouvelles informations, à l'échelle nanométrique, sur l'état de charge des isolants et sur leur capacité à stocker/dissiper les charges. Cependant, ces techniques ne permettent pas de connaître précisément la répartition spatiale de la charge en latéral et en profondeur dans les matériaux isolants, données indispensables pour une meilleure compréhension des phénomènes de transport et de piégeage de charges. C'est pourquoi, nous nous sommes intéressés aux courbes de forces électrostatiques comme nouvel outil susceptible de permettre la localisation de la charge. L'objectif de la thèse est donc de comprendre le lien entre l'allure de la courbe de force et le positionnement spatial de la charge dans le matériau. Pour ce faire, deux études sont menées en parallèle : une étude expérimentale et une étude par modélisation numérique. Les travaux de recherche sont focalisés principalement sur la partie simulation de la sonde AFM par une modélisation électrostatique des phénomènes physiques en jeu. Un des verrous à lever dans ces travaux est la disparité d'échelle des objets modélisés et le caractère tridimensionnel du système. Dans cet objectif, un modèle mathématique pour l'étude des interactions électrostatiques entre une pointe AFM et la surface d'un matériau diélectrique a été développé en 2D. La discrétisation des équations décrivant le système est basé sur un nouveau schéma numérique du type volumes finis d'ordre élevé obtenu par le principe de la reconstruction polynômiale. Ce premier modèle a permis de comprendre l'influence de la géométrie de la pointe, notamment le rayon de courbure de l'apex et l'angle de demi-ouverture, sur l'aspect qualitatif et quantitatif des courbes de force. Les résultats montrent, par exemple, que plus le rayon de courbure de la pointe est faible plus la courbure de la courbe de force est prononcée. Ces résultats sont conformes à l'expérience. Pour parfaire notre étude sur la géométrie de la pointe, un premier modèle en 3D a été développé à l'aide du logiciel commercial Comsol Multiphysics(r). Plusieurs formes de pointe ont été testées : conique, tétraèdre et pyramidale. Les courbes de forces obtenues par simulation ont été comparées aux données expérimentales permettant ainsi de trouver une forme optimale représentative de la pointe réelle. Un deuxième modèle en 3D basé sur les équations électromécaniques a été développé pour prendre en compte l'effet du bras de levier sur les courbes de force. Les résultats obtenus montrent que le bras de levier ne modifie pas la forme de la courbe de force obtenue par la pointe seule mais rajoute simplement une composante continue sur celle-ci. / The Scanning Probe Microscopy techniques (SPM) are highly diversified and no longer confined to expert laboratories, being widely used by material scientists for "micro" or "nano" applications. The use of Atomic Force Microscopy (AFM), and techniques derived from it, such as Electrostatic Force Microscopy (EFM) or Kelvin Force Microscopy (KFM), provides a considerable advantage allowing the acquisition of new information down to nanoscale, such as the charge state of dielectric materials and their ability to store and dissipate charges. However, these techniques do not allow to precisely know the spatial distribution of the lateral and deep distribution of the space charge in the insulating materials, required for a better understanding of the phenomena of transportation and charge trapping data. For this purpose, we are interested in the electrostatic force distance curve -EFDC- as a new tool to allow the location of the space charge. The aim of the thesis is to understand the relationship between the shape of the force curve and the spatial positioning of the space charge in the material. To do this, two studies were conducted in parallel: an experimental study and a study by numerical modeling. The research work here is focused mainly on the simulation of the AFM probe by electrostatic modeling of physical phenomena. One of the difficult obstacles to do in this work is the taken in account disparity of scale objects modeled and the three-dimensionality of the system. For this purpose, a mathematical model for the study of electrostatic interactions between an AFM tip and the surface of a dielectric material has been developed in 2D. The discretization of equations describing the system is based on a new numerical scheme of high order finite volume method obtained by the principle of polynomial reconstruction operator. This first model was used to understand the influence of the geometry of the tip, including the radius of curvature of the apex and the half-opening angle on the qualitative and quantitative aspects of the force curves. The results show, for example, more than the radius of curvature of the tip is smaller the curvature of the force curve is pronounced.

Les matériaux de structure pérovskite de formule générale ABO3 sont les ferroélectriques les plus étudiés pour leurs propriétés intéressantes dans de nombreuses applications technologiques. Cependant leurs propriétés sont directement reliées à la structure et sont fortement conditionnées par les transitions de phases qui dépendent de la température, de la composition chimique et de la pression. Dans le manuscrit de thèse, le comportement sous haute pression de deux matériaux pérovskite SrTi1-xZrxO3 (STZ) et KNb1-XTaXO3 (KNT) est étudié et différentes techniques de frittage pour améliorer la densité des céramiques et optimiser les propriétés ferroélectriques des céramiques K(Nb0.40Ta0.60)O3 et (KxNa1-x)Nb0.6Ta0.4O3 sont examinées.Des analyses sous hautes pressions par spectroscopie Raman et diffraction des rayons X des poudres de SrTi1-xZrxO3 (x= 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7) et KNb1-XTaXO3 (x=0.4, 0.5, 0.6, 0.9) en enclume diamant ont été réalisées. Les spectres Raman montrent une augmentation des modes Raman avec la pression pour les poudres de STZ indiquant que la pression induit des transitions de phases vers des symétries plus basses de la maille dans ces composés.De plus, les expériences de spectroscopie Raman ont fait apparaître une décroissance des modes Raman lorsque la pression est augmentée, montrant bien que la pression induit des transitions de phases vers des structure plus symétriques. L'évolution du mode Raman principal pour les phases orthorhombique et quadratique a été suivi jusqu'à ce que la phase cubique apparaîsse, ce qui nous a permis de proposer un diagramme de phase pression-composition pour les composés KNT.Trois différentes techniques de frittage, utilisation d'additifs, frittage en deux paliers et SPS ont été étudiées pour les céramiques de K(Nb0.4Ta0.6)O3 et (KxNa1-x)Nb0.6Ta0.4O3 . La constante diélectrique et les pertes en fonction de la température des céramiques ont été améliorées par l'utilisation du KF comme additif de frittage et par le frittage en deux paliers. Les échantillons densifiés par SPS présentent une microstructure fine et possèdent les plus fortes densités. Ils ont les meilleurs propriétés ferroélectriques. Aucun changement significatif de la température de Curie ne semble être induit par le taux de Na, et on observe cependant une augmentation de la constante diélectrique et des propriétés ferroélectriques suivant le taux de Na. / Perovskite materials whose general chemical formula is ABO3 are one of the most study ferroelectrics due to the interesting properties that they have for technological applications. However, their properties are directly related to structural phase transitions that could depend of temperature, composition and pressure. In the studies presented here, we first examined the high-pressure behavior of two perovskite materials SrTi1-xZrxO3 (STZ) and KNb1-XTaXO3 (KNT), and we later continued to investigate different sintering techniques in order to improve the densification, dielectric and ferroelectric properties of K(Nb0.40Ta0.60)O3 and (KxNa1-x)Nb0.6Ta0.4O3 ceramics.High-pressure Raman scattering and X-ray diffraction investigations of SrTi1-xZrxO3 (x= 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7) and KNb1-XTaXO3 (x=0.4, 0.5, 0.6, 0.9) powders were conducted in diamond anvil cells. Raman scattering experiments showed and increased of Raman modes with pressure for the STZ samples, which indicates that pressure induced phase transitions towards lower symmetry for these compounds.Moreover, high pressure Raman spectroscopy experiments showed a decrease of the Raman modes as the pressure was increased for the KNT samples, showing that pressure induced phase transitions towards higher symmetries. The evolution of the main Raman modes for the orthorhombic and tetragonal phases were followed until the cubic phase was reach, and allowed us to propose a pressure-composition phase diagram for the KNT compounds.Three different sintering techniques, sintered aids, two step sintering and spark plasma sintering, were used on K(Nb0.4Ta0.6)O3 and (KxNa1-x)Nb0.6Ta0.4O3 ceramics. The use of KF as sintered aid and the two step sintering method showed an improvement of the dielectric constant and dielectric losses of these samples. SPS samples presented a fine microstructure with the highest density and the best ferroelectric behavior. We did not detect any changes on the Curie temperature due the amount of Na but and increase of the dielectric constant and the ferroelectric properties was observed due to the amount of Na.

Cette thèse s’intéresse à l’endommagement laser d’optiques réflectives en régime sub-picoseconde. Ces composants optiques, réalisés à partir d’empilements sub-micrométriques de matériaux diélectriques, sont couramment utilisés dans les installations laser de puissance telles que le laser PETAL. Ce dernier, construit sur le centre du CEA-CESTA en France, a été conçu pour délivrer des impulsions de 500 fs et de quelques kJ à une longueur d’onde de 1053 nm, dans le but d’atteindre des puissances supérieures à 6PW. Dans ce type d’installations de puissance, afin de limiter l’accumulation d’effets non-linéaires liés à la propagation d’impulsions intenses, des optiques réflectives en fin de chaîne se substituent aux optiques en transmission. Les composants optiques illuminés par les plus fortes densités de puissance sont des réseaux de compression, des miroirs et une parabole qui servent respectivement à la compression temporelle des impulsions, au transport du faisceau ainsi qu’à sa focalisation. Le phénomène d'endommagement laser est le paramètre principal qui limite la puissance accessible par ces lasers. Il est nécessaire de comprendre et de maîtriser ce phénomène afin de fiabiliser une installation laser et également d’améliorer ses performances. Trois axes d’études ont donc été explorés. Le premier concerne la conception d’optiques réflectives. Des définitions de structures sont recherchées afin d’obtenir de hautes efficacités de diffraction dans le cas des réseaux et des forts coefficients de réflexion dans le cas des miroirs, tout en diminuant le renforcement du champ électrique dans les structures, l’une des causes de l’endommagement laser. Le second axe d’étude porte sur la mise en place d’une métrologie fine de l’endommagement laser avec le développement de nouvelles procédures de test. Elles amènent de nouveaux points de vue pour la qualification de la résistance au flux laser des optiques. En dernier lieu, nous étudions le phénomène de croissance des dommages lorsqu’ils sont soumis à plusieurs irradiations laser. L’évolution de la surface des dommages lors de séquences de croissance est observée, quantifiée et comparée à un modèle numérique. Cela nous permet de mieux comprendre la phénoménologie de la croissance des dommages en régime sub-picoseconde. A terme, elles permettront de développer des modèles de prédiction de l’endommagement et des outils pour l’amélioration des optiques utilisées sur chaîne laser. / In this thesis, laser-induced damage phenomenon of reflective components is investigated in the sub-picosecond regime. These components, made of stacks of dielectric materials, are widely used in powerful laser facilities such as PETAL laser. PETAL laser has been built at the CEA-CESTA in France to deliver multi-kJ/500fs pulses at 1053nm and reach a power higher than 6PW. For this kind of laser systems, reflective components are commonly used instead of optics operating in transmission to limit the accumulation of non-linear phase along the beam propagation due to the high intensities. Optical components irradiated by the highest power densities are the pulse compression gratings, transport mirrors and the focusing parabola, located at the end of the laser chain. Nowadays, laser-induced damage is the main factor that limits the overall performances of powerful laser systems. This manuscript presents three study axes to better understand and control damage phenomenon. The first one concerns the conception of reflective optics for the petawatt applications. The design of new structures has been investigated to reach high diffraction efficiencies in the case of pulse compression gratings and a high reflectivity in the case of mirrors, while reducing the Electric-field enhancement which is one of the causes of the laser-induced damage. The second axis deals with the development of a precise damage metrology with new testing tools which brings new perspectives and a new viewpoint for the assessment of the laser resistance of optical components. Finally, the third axis concerns the study the damage growth after several irradiations in the sub-picosecond regime. The evolution of the damage area during growth sequences is observed and compared to numerical simulations. It enables to improve the understanding in the growth phenomenon. In the end, these studies will allow to develop predictive models of the laser-induced damage and new tools for the conception of reflective optics for petawatt applications.

Dans la littérature, peu d’études traitent de l’utilisation de l’eau dans un plasma car elle a tendance à les déstabiliser. Pourtant, l’eau possède un haut potentiel de réactivité et est une voie plus verte pour générer des OH. Nous avons donc mené une étude de la réactivité de l’eau dans différents types de plasmas en utilisant plusieurs approches. Notre objectif est de mettre en évidence les différences entre, d’une part, un traitement dans la décharge grâce à l’utilisation d’une décharge à barrière diélectrique et, d’autre part, un traitement en post-décharge grâce à l’utilisation d’une torche radiofréquencée. Dans le premier cas, l’eau est injectée entre les électrodes tandis que dans le second, elle est envoyée dans la post-décharge. Dans les deux situations, nous utilisons l’argon comme gaz plasmagène et travaillons à pression atmosphérique. Ces deux types de plasma sont analysés au niveau de la phase gazeuse et sont utilisés pour modifier un polymère. L’étude de phase gazeuse est réalisée par spectroscopie d’émission optique pour déterminer les espèces émissives présentes dans le plasma, ainsi que par spectrométrie de masse pour la torche. Nous avons pu déterminer les réactions induisant la production et la consommation d’espèces telles que l’Ar, l’O, l’OH, l’H et le N2. Une étude électrique a également été menée sur les deux plasmas. Dans le cas de la torche, c’est une mesure indirecte qui est réalisée grâce à la mesure du courant d’ions dans la post-décharge. Dans le cas de la DBD, différentes analyses ont été effectuées. Premièrement, nous avons déterminé la puissance injectée grâce à l’utilisation des courbes de Lissajous. Ensuite, des mesures de tension et du courant ont été menées pour deux puissances différentes à 10 W et 80 W. Dans les deux cas, une diminution du courant a pu être observée. Nous suggérons que cette diminution soit liée à la consommation des métastables qui, pour la torche, entraine une diminution de production de Ar2+ (responsable du courant d’ions mesuré) et pour la DBD, empêche la production d’électrons. De plus, pour la DBD, cette diminution de courant n’est pas uniquement due à la consommation de métastables mais également à la capacité de l’eau à capter les électrons. Nous avons également observé l’évolution du nombre de filaments en fonction de la puissance et de la quantité d’eau injectée. C’est une augmentation du nombre de filaments qui a été observée et été reliée aux propriétés électriques du plasma.En parallèle, nous avons utilisé ces plasmas afin de modifier un polymère. Nous avons choisi le LDPE comme substrat car, n’étant composé que de carbone et d’hydrogène, il facilite le suivi du greffage de l’oxygène. Le LDPE traité par les différents plasmas, à savoir la torche RF, la DBD à 10 W et la DBD à 80 W a été caractérisé par différentes techniques d’analyse de la surface. Cela nous a permis d’observer, suite au traitement contenant de l’eau, l’évolution de la mouillabilité (WCA), de la composition chimique de la surface (XPS et ToF-SIMS), de la rugosité (AFM), du changement de masse du film ou encore de la réticulation (ToF-SIMS). De plus, une étude dans la profondeur du film a aussi été menée (XPS et ToF-SIMS) dans le but d’observer la diffusion de l’oxygène et du deutérium dans le substrat.Nous avons pu déterminer les espèces interagissant avec la surface du LDPE. En fonction du type de plasma, des mécanismes différents de greffage ont été envisagés. Dans tous les cas, un greffage d’oxygène a été observé et associé à la présence de radicaux OH. Pour ce qui est de la torche et de la DBD 80 W, un décapage a également pu être observé. Dans le cas de la torche, ce décapage est associé à l’effet combiné de l’oxygène atomique et des UV. Pour la DBD, en raison du grand courant mesuré et de la grande puissance injectée, nous supposons l’effet combiné des argons métastables et des électrons induisant un changement important de la rugosité. Grâce à l’équation de Wenzel, nous avons également corrélé les mesures XPS, WCA et AFM. Cependant, pour de longs temps de traitement par DBD à 80 W, l’augmentation de la rugosité est tellement importante que le modèle de Wenzel n’est plus d’application ;le modèle de Cassie-Baxter semble dans ce cas plus adéquat pour comprendre le comportement de la surface du LDPE.Cette thèse a donc permis de déterminer les espèces générées lorsque de l’eau est présente dans le plasma, mais également d’observer leurs effets sur la modification de la surface du LDPE. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de développement d'un outil radar pour la cartographie de la teneur en eau des sols agricoles et se consacre plus particulièrement à la conception de deux prototypes d'antennes radar large bande. Deux prototypes d'antennes ont ainsi été conçus de manière numérique sur la base d'un code de simulation électromagnétique en trois dimensions basé sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) pour la résolution des équations de Maxwell. Les prototypes ont été conçus avec comme ligne directrice un encombrement minimum (format A4) et une largeur de bande maximum sur la gamme 100 MHz - 1 GHz (dans l'air). Afin d'étudier apriori le comportement de ces prototypes en présence de sols, une étude numérique a été réalisée en représentant les sols par des demi-espaces infinis. Cette étude numérique se base sur l'évolution du coefficient de réflexion des prototypes dans le domaine fréquentiel (s11). Pour s'approcher au mieux des conditions de terrain, l'effet d'un contact non idéal entre l'antenne et le sol (représentée par une élévation de l'antenne) ainsi que celui de la rugosité du sol (représenté par des surfaces en tôle ondulée et en boîtes d'oeufs) ont été investigués. Sur la base de cette étude numérique, deux prototypes d'antennes (une antenne de type bow-tie et une de type dipôle elliptique) ont été fabriqués et testés en laboratoire et sur le terrain. Les premiers tests en laboratoire ont permis : (i) de vérifier la bonne cohérence entre mesure de s11 en milieu contrôlé et simulation FDTD précise de l'antenne (i.e. prenant en compte tous ses éléments constitutifs), (ii) une calibration en champ lointain et en champ proche de l'antenne permettant l'utilisation d'un modèle analytique pour simuler le s11 de l'antenne en présence d'un sol, (iii) une première estimation de la permittivité diélectrique d'un sol simple (sable) par les deux types de modélisation (FDTD et analytique). Enfin, les prototypes d'antennes ont été testés sur le terrain afin de vérifier leur comportement lors de mesures in situ. Ces tests montrent un fort impact (bruit) des câbles coaxiaux utilisés lors des mesures (notamment à haute fréquence), ainsi qu'une bonne sensibilité du dispositif aux contrastes de permittivité diélectrique. / The research work submitted in this PhD dissertation is part of research project which aims to develop a new tool for mapping the soil water content in agricultural context with ground penetrating radar technology. The scope of this particular work is the development of two prototypes of wideband radar antennae. Hence, two prototypes of antennae have been numerically designed based on a 3D finite-difference in time-domain (FDTD) electromagnetic solver of Maxwell's equations. The guiding principles that have been followed during the design are mainly a small size antenna (A4 format) and achieving the wider bandwidth possible in the frequency range 100 MHz - 1 GHz (in the air). In order to study the behavior of our prototypes when put in presence of soils, we conducted a numerical study representing the soils by half-spaces. This numerical study was based on the analysis of the antennae reflection coefficient in the frequency domain (or return loss coefficient s11). To be as close as possible to field conditions, the effect of a non ideal contact between the antenna and the soil (represented by a small elevation of the antenna) as well as the effect of soil surface rugosity (represented by corrugated iron-like and eggbox-like surface) have been investigated. Based on this numerical study, two prototypes of antennae (one bow-tie-like and on elliptical dipole) have been physically built and tested in both lab and field conditions. The test in lab condition enabled us to: (i) check the similarity between measured s11 in a controlled environment and corresponding FDTD simulation of the antenna including all antenna parts, (ii) calibrate the antenna in both far field and near field conditions which enabled the use of an analytical model to simulated the antenna s11 in presence of soil, (iii) estimate the dielectric permittivity of a sand sample using both FDTD and analytical simulations. Finally, the prototypes were tested in field condition in order to verify their behavior for in situ measurements. These tests show that using unshielded coaxial cable has a very important impact on the data (noise) and that the prototypes demonstrate a good sensitivity to dielectric permittivity contrasts.

Deux séries d'échantillon à base de PVDF ont été élaborées avec différentes fractions de dioxyde de titane TiO2 en utilisant deux modes d'élaboration : dispersion des nanoparticules de TiO2 par voie fondue habituelle et génération des charges de TiO2 basée sur des réactions d'hydrolyse-condensations d'un alkoxyde de titane (le n-tétrabutoxyde de titane). Dans cette étude, quatre techniques ont été utilisées pour étudier les processus de relaxation dans les polymères semi-cristallins. Le microscope électronique à balayage (MEB) pour étudier la dispersion des nanoparticules de TiO2 dans la matrice PVDF. La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a été utilisée dans cette étude pour caractériser thermiquement les échantillons polymériques semi-cristallins. L'analyse thermo-gravimétrique (ATG) a été utilisée pour voir l'effet de nanoparticules sur les propriétés thermiques du PVDF. De plus, la technique de spectroscopie diélectrique a été utilisée dans la thèse pour étudier l'influence du processus d'élaboration sur la mobilité moléculaire trouvée dans ces systèmes. On a montré que le comportement de ces nanocomposites est proche de celui de PVDF pur. Les changements principaux observés sont le ralentissement de la dynamique de la relaxation alpha (associée à la température de transition vitreuse) et la relaxation alpha c (associée à la phase cristalline) en fonction de l'augmentation de fraction volumique TiO2. L'existence des charges piégées aux interfaces qui met en cause la présence de la polarisation interfaciale (IP) dans les différents nanocomposites a aussi été analysée. Les additions de TiO2 diminuent la mobilité des chaînes polymériques ce qui rend difficile l'orientation des dipôles électriques et augmente l'énergie d'activation de la relaxation de polarisation interfaciale / Polyvinylidene fluoride (PVDF) films have been filled with different volume fraction of titanate dioxide TiO2 using two ways : dispersion in the melt or in-situ generation based on the hydrolysis-condensation reactions of titanium alkoxide inorganic precursor premixed with PVDF under molten conditions. In this study, four techniques were used to study the relaxation processes in the semi-crystalline polymers. The scanning electron microscope (SEM) was introduced in the field of polymer science to study the dispersion of TiO2 nanoparticules in the PVDF matrix. The differential scanning calorimetry (DSC) was used in this study to thermally characterize the semi-crystalline polymer samples. Thermal gravimetric analysis (TGA) was used to see the effect of nanoparticles on the thermal properties of PVDF. In addition, the dielectric spectroscopy technique was used in the thesis to study the influence of the process on the molecular mobility found in these systems. It was shown that the behavior of PVDF as a matrix in these nanocomposite is close to that of pure PVDF. The main changes observed is the slowing down of the dynamics of the alpha a (associated to the glass transition temperature) and the alpha c (associated to the crystalline phase) relaxations as a function of the TiO2 volume fraction increase. The existence of charge carriers trapping at the interfaces related to the interfacial polarization (IP) in the different nanocomposites has also been analyzed. The additions of TiO2 decrease the mobility of the polymer chains which makes difficult the orientation of electric dipole moment ending in an increase of the energy of activation of IP relaxation

Nous avons cherché dans cette thèse à caractériser la phase vitreuse formée par des molécules organiques. Pour cela, nous y avons dilué des molécules sur lesquelles on a greffé un fragment d’azobenzène, de façon à pouvoir les orienter sélectivement en les illuminant. On souhaite ainsi s’approcher de la procédure de clouage aléatoire, qui permet en théorie et par simulations de caractériser d’une manière nouvelle la phase vitreuse "idéale", stable thermodynamiquement, qui se formerait pendant la transition vitreuse. On caractérise en temps réel les effets de l’illumination sur ces molécules modifiées (isomérisations cis-trans, orientation) par spectroscopie d’absorption UV polarisée. On mesure l’impact de l’illumination sur la transition vitreuse de leur matrice par spectroscopie diélectrique. Nous avons observé une accélération de la dynamique pendant illumination (diminution du temps de relaxation alpha). Celle-ci n’est pas due à l’orientation de l’azobenzène mais aux autres effets de l’illumination : les isomérisations cycliques cis-trans, et la présence d’isomères cis. Au total, la viscosité du verre est divisée par presque 50 en dessous de Tg, ce qui représente une augmentation de la température effective de l’échantillon de plus de 6K, alors que le chauffage réel dû à l’illumination est inférieur à 100mK. Derrière ces deux effets majoritaires, nous avons repéré que plus l’orientation est grande, plus le temps de relaxation alpha est grand, toute chose égale par ailleurs. Cette influence de l’orientation semble être très forte car nos fractions orientées sont faibles. En suivant les prédictions de la théorie RFOT, on trouve que la transition vitreuse idéale aurait lieu pour une concentration en molécules orientées entre 0,5 et 2% à Tg. Les expériences de random pinning sur des verres moléculaires semblent donc bien réalisables avec l’azobenzène. On jette dans cette thèse les bases d’une nouvelle voie expérimentale qui nous semble prometteuse pour l’étude de la transition vitreuse. / In this thesis we have sought to characterize the glassy phase formed by organic molecules. To do this, we diluted molecules on which we grafted an azobenzene fragment, so that we could selectively orient them by illuminating them. In this way, we wish to approach the random pinning procedure, which makes it possible in theory and by simulations to characterize in a new way the "ideal" thermodynamically stable glass phase that would be formed during the glass transition. The effects of illumination on these modified molecules (cis-trans isomerizations,orientation) are characterized in real time by polarized UV absorption spectroscopy. The impact of illumination on the glass transition of the matrix is measured by dielectric spectroscopy. We observed an acceleration of the dynamics during illumination (decrease of the alpha relaxation time). This is not due to the orientation of azobenzene but to other effects of illumination : cyclic cis-trans isomerizations, and the presence of cis isomers. In total, the viscosity of the glass is divided by almost 50 below Tg, which represents an increase in the effective temperature of the sample of more than 6K, while the actual heating due to illumination is less than 100 mK. Behind these two majority effects, we have identified that the greater the orientation, the greater the alpha relaxation time, all other things being equal. This influence of orientation seems to be very strong because our oriented fractions are small. Following the predictions of the RFOT theory, we find that the ideal glass transition would occur for a concentration of oriented molecules between 0.5 and 2% at Tg. Therefore random pinning experiments on molecular glasses seem to be feasible using azobenzene. In this thesis, we are laying the foundations for a new experimental approach that seems promising to us for the study of glass transition.

L'interaction entre impulsions lasers ultra-brèves et matériaux diélectriques est un sujet d'étude en constant renouvellement, motivé aussi bien par la naissance d'une multitude d'applications (micro-usinage laser, opérations de la cornée, ...) que par ses aspects fondamentaux (génération d'harmoniques d'ordre élevé, électronique au cycle optique, ...). Pourtant, les mécanismes sous-jacents à cette interaction sont encore mal compris, en particulier d'un point de vue quantitatif. En effet, une bonne partie des phénomènes ont lieu durant le passage de l'impulsion laser, c'est-à-dire pendant quelques dizaines de femtosecondes. De surcroît, les éclairements impliqués dans l'interaction sont élevés : quelques dizaines de TW/cm^2. La compréhension et la quantification des processus élémentaires ayant lieu durant l'interaction requiert donc de concevoir des expériences sur mesure ainsi que d'effectuer un travail approfondi de modélisation. Dans ce manuscrit sont présentées deux techniques expérimentales complémentaires utilisées durant la thèse : l'interférométrie fréquentielle et la spectroscopie d'absorption résolues en temps. Ces deux techniques sont employées pour étudier les processus électroniques d'excitation et de relaxation dans trois matériaux distincts : le quartz, le saphir et l'oxyde de magnésium. La quasi-intégralité des résultats expérimentaux sont analysés à l'aide d'un modèle en équation de taux multiples (MRE) permettant de discriminer l'importance relative de chacun des processus pris en compte. Tout d'abord, une preuve expérimentale directe de l'existence de l'ionisation par impact dans le quartz est présentée. Ces résultats ont été obtenus par l'exposition de l'échantillon à une série de deux impulsions, ce qui permet de moduler indépendamment la densité et la température du plasma. Les résultats expérimentaux sont reproduits avec succès par le modèle MRE intégrant l'ionisation multiphotonique, le chauffage des porteurs photo-excités ainsi que l'ionisation par impact comme processus d'excitation. Nous nous concentrons ensuite sur une seconde série de résultats concernant la relaxation du saphir après excitation induite par laser. Un nouveau mécanisme de relaxation est proposé et testé par la modélisation pour tenter d'expliquer la dynamique de ce processus. Ce mécanisme implique la formation d'excitons auto-piégés puis leur recombinaison. Enfin, le modèle MRE est appliqué à la détection de seuils d'ablation dans les trois solides. Le choix du critère physique déterminant ce seuil, sujet soumis à d'intenses débats dans la littérature, est alors discuté. / The interaction between an ultrashort laser pulse et dielectric materials is a constantly evolving field motivated by the birth of various applications (laser micro-machining, cornea surgery, ...) as well as its fundamental aspects (high-order harmonic generation, electronics at optical-cycle regime, ...). However, the underlying mechanisms of this interaction are still to be understood, especially from a quantitative point of view. Indeed, most phenomena occur during the pulse propagation through the material (i.e. in a few tens of femtoseconds). Moreover, the involved intensities are very high: a few tens of TW/cm^2. These two aspects make it difficult to study this interaction. To push the understanding forward, it is necessary to design new experiments and carry out an extensive work in modelling. Two complementary experimental techniques are presented in this manuscript: time resolved spectral interferometry and absorption spectroscopy. These two techniques are used to study elementary excitation and relaxation electronic processes in three different materials: Quartz, sapphire and magnesium oxide. Almost all experimental results are analyzed using a multiple rate equations (MRE) model allowing us to discriminate the relative importance of each of these processes. Firstly, a direct experimental proof of the existence of impact ionization in quartz is presented. These results have been obtained by exposing the sample to a sequence of two laser pulses, allowing us to tune independently both density and temperature of the plasma. The experimental results are successfully reproduced by the MRE model including multiphoton ionization, inverse bremsstrahlung and impact ionization as excitation processes. We then focus on another series of results on sapphire relaxation after laser-induced excitation. A new relaxation mechanism is proposed and tested by modelling to attempt to explain the dynamic of this process. This mechanism involves the formation of self-trapped excitons and their recombination. Finally, the MRE model is applied to the detection of the laser-induced ablation threshold in all three solids. The choice of the physical criterion defining this threshold, a subject that has caused intense debates over the past years, is discussed.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les élastomères silicones sont déjà largement utilisés dans l'isolation électrique extérieure grâce à la bonne tenue aux contraintes climatiques et à la hydrophobicité. Ils commencent aujourd'hui à être utilisés dans l'isolation volumique pour des applications haute tension. L'objectif de cette thèse était d'analyser plus profondément les propriétés diélectriques et électriques, peu connues, dans ces polymères.<br />L'originalité de ces études porte sur la gamme importante de température étudiée (100-430K), la mesure des propriétés diélectriques dans des très basses fréquences (10-4Hz–1MHz), la mesure de charges d'espace par un dispositif de type ‘onde de pression' et la mesure de courants faibles (jusqu'à 50fA). Deux familles d'élastomères silicones ont été étudiées : des RTV et des LSR comportant des charges de renfort de silice. L'évolution de ces propriétés lorsque ces matériaux sont soumis à des contraintes électrothermiques (16 kV/mm à 353K) pendant un an est également menée. <br />Des comportements classiquement observés dans les polymères ont été identifiés comme l'injection de charges d'espace, de type Schottky. Cependant, des comportements plus spécifiques ont été identifiés : (i) des courants de conduction sub-linéaires, (ii) des courants de dépolarisation qui s'inversent et qui présentent une réponse chaotique, (iii) des réponses diélectriques de type loi de puissance fractionnelle, (iv) de la dispersion dans les basses fréquences après vieillissement. Ces comportements particuliers sont principalement attribués à des effets d'électrode bloquante et des mécanismes de conduction dans les clusters présents aux interfaces PDMS–silice.<br />L'étude en spectroscopie diélectrique dans les très basses fréquences s'est avérée être un outil précieux de caractérisation de l'ensemble de ces phénomènes.