L'augmentation croissante de la demande en énergie et l'épuisement des combustibles fossiles exigent l'amélioration de l'efficacité de l'utilisation de l'énergie ainsi que la recherche de ressources durables et renouvelables. Les condensateurs sont des systèmes de stockage de l'énergie qui se sont imposés comme une des solutions aux problèmes énergétiques en raison de leurs avantages, tels que le respect de l'environnement, et la charge et la décharge d'énergie très rapides. Des besoins se sont créés pour un système de stockage capacitif à faible coût et à haut rendement, il est donc nécessaire de développer des matériaux avec une forte permittivité diélectrique. A ce propos, les composites diélectriques à matrice polymère suscitent une attention croissante en raison de leurs bonnes performances diélectriques. Des composites à matrice polymère chargée de particules céramiques ont par exemple été utilisés dans certains condensateurs pour le stockage d'énergie. Pourtant, en pratique, l'applicabilité de tels dispositifs est sérieusement entravée par la faible permittivité diélectrique des matériaux d'une part, et par la détérioration des propriétés mécaniques en raison de la forte teneur en particules céramiques rigides dans la matrice polymère flexible d'autre part. En remplaçant ces particules céramiques par des particules conductrices dans la matrice polymère, des composites percolatifs peuvent être réalisés avec une permittivité diélectrique nettement accrue au voisinage du seuil de percolation. Parmi les charges conductrices, les nanotubes de carbone (NTC) ont été les plus étudiés. En effet, du fait de leur facteur d'aspect et de leur conductivité élevée, ces derniers peuvent conduire à des niveaux de percolation dans les composites pour une très faible quantité de charges. Un des plus grands défis pour l'utilisation des NTC dans les matériaux composites est de séparer les NTC les uns des autres afin de réaliser une dispersion uniforme dans les polymères. Les travaux présentés dans cette thèse ont porté sur l'augmentation de la permittivité diélectrique de matériaux composites à matrice polymère à base de NTC en optimisant à la fois la dispersion des nanotubes ainsi que le contrôle de la microstructure des matériaux composites finaux. L'augmentation de la permittivité diélectrique dans les composites précédents provient de la formation de microcondensateurs au sein du matériau. Toutefois, les NTC ont toujours tendance à s'agglomérer dans le composite, ce qui n'est pas bénéfique à la formation de microcondensateurs. Pour surmonter ce problème, nous avons proposé une microarchitecture hybride SiC-NTC comme charge conductrice. Ces hybrides mulit-échelles ont été produits par dépôt chimique catalytique en phase vapeur assisté par aérosol. L'organisation des NTC sur les particules de SiC peut être efficacement contrôlée en ajustant les différents paramètres de synthèse. Les résultats ont montré que les propriétés de surface asymétriques des micro-particules de SiC étaient plutôt favorables à la croissance des NTC sur SiC selon "une direction unique", alors que certaines conditions expérimentales particulières peuvent aboutir à une croissance "multi-directionnelle". Les particules hybrides de SiC-NTC ainsi obtenues ont également été incorporées dans le PVDF pour préparer des composites percolatifs. Il a été constaté que les hybrides SiC-NTC permettent d'améliorer considérablement la permittivité diélectrique du composite avec un chargement extrêmement faible en NTC. Les NTC sont orientés le long d'un axe sur chaque microplaque de SiC et séparés par une couche mince de polymère, donnant lieu à un réseau de microcondensateurs. Par conséquent, de grandes permittivités diélectriques de plus de 8700 et 2100 à 100 Hz peuvent être obtenues pour un faible taux de chargement de NTC de l'ordre de 2,30% et 1,48% en volume pour les composites à renforts "multi-directionnel" et "unidirectionnel" respectivement.

La recherche sur les matériaux diélectriques souples et biodégradable a été augmenté considérablement en raison de l'augmentation des exigences concernant l'énergie et les questions environnementales. Les composites polymériques, avec constante diélectrique élevée ont ainsi, été préférés par rapport aux composites à base de céramique pour les périphériques de stockage de l'énergie. L'objectif de cette thèse est de fabriquer une électrode biodégradable matériaux à base de nano-fibrilles de cellulose natives et oxydés (CNF) et de graphène pour améliorer le stockage diélectrique ainsi que les applications de stockage de charge électrochimique. La présente méthode de réduction, induite par les UV sur l'oxyde de graphène (GO) dans des matrices de cellulose, est une alternative prometteuse aux traitements à base de solvant en évitant la détérioration des propriétés des matériaux et l'utilisation de solvants organiques. Cette méthode pourrait être étendue à d’autres matériaux composites polymères. / The research on biodegradable and flexible dielectric materials has been increased widely because of increasing requirements about energy and environmental issues. Polymeric composites with high dielectric constant have, thus, been demanded increasingly compared to ceramic based composites for energy storage devices. The objective of this thesis is to fabricate a biodegradable electrode materials based on pristine and oxidized cellulose nanofibrils (CNF) with different graphene based fillers for enhanced dielectric storage as well as electrochemical charge storage applications. The presented dry method of UV induced reduction of graphene oxide (GO) in cellulose matrices are promising alternatives to solvent based treatments avoiding the deterioration of material properties and the use of organic solvents. This method could be extended to alternative polymer composite materials. In contrast to previous reports, the dielectric properties mainly focussed on the higher frequency regions to provide real, intrinsic material properties and obtained significant enhancement than reported studies. This approach gives a new insight to the exact performance of materials on dielectric charge storage applications. The current study gives more insight for the development of flexible, lightweight and biodegradable electrode materials for energy storage device applications.

Les crises énergétiques et environnementales nous obligent à chercher les sources d’énergies renouvelables, qui contribuent à la fois à réduire l’effet de serre et la consommation des sources traditionnelles d’énergie fossile. Récemment, un nouveau système, le nano-générateur triboélectrique (TENG), se convertit l’énergie mécanique en énergie électrique en combinant l’effet de la triboélectronique et de l’induction électrostatique. TENG montre comme un outil alternatif et prometteur pour la récupération des énergie s renouvelables. Pour réaliser des matériaux plus performants, la plupart des recherches s’appuie sur le choix des différents types des céramiques ou charges conductrices, de taux de charge et de nouvelle structure, l’effet de l’interface entre charge, ainsi que la taille des charges, matrice a été très peu étudié. Donc, l’objectif de cette thèse consiste à étudier les effets de taille des charges, de l’interface entre charge-matrice et de la polarisation sur les performances électriques du TENG et les nano-générateurs du type piézo/tribohybride (P-TENG). Tout d’abord, un TENG fonctionnant sous la mode de contact-séparation avec la motion de l’accélération/décélération a été utilisé dans notre expérimentation et les équations progressives du type du second ordre polynomial ont été choisi pour l’ajustement des courbes. Différents paramètres cinétiques comme distance entre deux électrodes, fréquence de déplacement, pression de contact et temp du repos du TENG basés sur les conditions expérimentales ont été étudiés dans le chapitre 2 afin de comprendre leur contributions sur les performances des sorties électriques. Deuxièmement, deux différentes tailles (BT-70, BT-500) des nanoparticules de BaTiO3 sont considérées et utilisées pour préparer des composites di électriques BaTiO3/PDMS et BaTiO3-MWCNT/PDMS dans le chapitre 3. Les propriétés di électriques de tous ces composites ont été caractérisées et le déplacement électrique entre les particules et le polymère a été analysé théoriquement. En plus, l’effet synergique de MWCNT, de nitrure de bore (BN) et de noir de carbone (CB) avec BaTiO3 dans BaTiO3-70-MWCNT (CB, BN) / PDMS ont été comparés. Tous ces films composites fabriqués précédemment sont ensuite utilisés dans l’assemblage des dispositifs TENG dans le chapitre 4. Les performances électriques ont été mesurées pour étudier l’influence de l’interface charge-matrice et l’effet synergique des particules MWCNT (CB, BN) pour les dispositifs TENG. Les résultats de la différence potentielle surfacique induite par les effets synergiques des BaTiO3/MWCNT ont été confirmé avec les simulations COMSOL Multiphysics. En outre, dans le chapitre 5 les films composites contenant des particules de BaTiO3 sont polarisés pour étudier les effets piézoélectriques et triboélectriques couplés pour P-TENG. Les effets des différents paramètres de polarisation, tels que la direction de polarisation, la température, le ratio massique du BaTiO3, le champ électrique et la taille des BaTiO3 sur les performances de P-TENG ont été discutées. Enfin, les conclusions générales sont présentées et certains ou quelques perspectives sont proposées pour le futur. / The increasing energy crisis and environmental pollution stimulate the development of renewable energies, which contribute to reducing the greenhouse effect and the consumption of traditional fossil fuels. As a new type of renewable energy harvesting system, triboelectric nanogenerator (TENG) converts mechanical energy to electrical energy by coupling the effect of triboelectrification and electrostatic induction. TENG has been proved to be an alternative and promising approach to harvest renewable energy in recent years. For the dielectric material candidates, more attention has been paid to choosing different types of ceramic or conductive fillers, filler loading and surface structure design, rather than considering the filler-matrix interface effect. Thus, it is desired to clarify the effect of filler size and fillermatrix interface on the performance of compositebased TENGs. This work aims to research the influence of filler size, filler-matrix interface, and polarization on the output performance of TENG and piezo/tribo-hybrid nanogenerator (P-TENG). Firstly, the contact-separation mode TENG with acceleration/deceleration motion is utilized in our experiments. The piecewise second-order polynomial fitting is chosen for the motion process curve fitting. Various kinematic parameters including gap distance, motion frequency, contact pressure, and pause time of TENG are studied theoretically based on the experiment conditions in chapter 2, to understand their contributions to the electrical output performance. Secondly, in chapter 3, BaTiO3 nanoparticles with two different sizes (BT-70, BT-500) are considered and utilized to prepare BaTiO3/PDMS and BaTiO3-MWCNT/PDMS dielectric composites. The dielectric properties of all composites are characterized, and the electric displacement between particle and polymer are theoretically analyzed. Moreover, the synergistic effect of MWCNT, boron nitride (BN) and carbon black (CB) with BaTiO3 in BaTiO3-70-MWCNT(CB, BN)/PDMS are compared. Then, all composite films fabricated were further utilized to assemble TENG devices in chapter 4. The output voltage, current, and charges densities of TENGs are evaluated to investigate the influence of fillermatrix interface and synergistic effect of MWCNT (CB, BN) particles on the output performance of TENG devices. COMSOL Multiphysics simulation are performed to further confirm the surface potential difference introduced by the synergistic effects of BaTiO3/MWCNTs. Furthermore, the composite films with BaTiO3 particles are polarized to further explore the interaction of piezoelectric and triboelectric effects for P-TENG in chapter 5. Influences of different polarization parameters, such as polarization direction, poling temperature, BaTiO3 mass ratio, poling electric field and BaTiO3 sizes, on the output performance of the PTENG have been discussed. Finally, general conclusions are presented and perspectives are proposed for the future work.

Un système de communication fiable dans un environnement confiné, en particulier les mines souterraines, peut largement accroître la sécurité et la production. Actuellement, les réseaux de communication sans fil en milieu confiné offrent un débit maximal de 1 Gbits/s. Toutefois, la disponibilité de systèmes offrants des débits de l'ordre de 2 à 10 Gbits/s deviendra dans un proche avenir, une nécessité compte-tenu de l'introduction des systèmes 4G avancés et les technologies 5G qui pointent à l’horizon. L’utilisation de fréquences élevées, particulièrement en bandes millimétriques, telle que la bande ISM à 60 GHz offrant 7 GHz de bande passante, est l'une des voies les plus directes et les plus simples pour atteindre un débit souhaitable entre 2-10 Gbits/s. Il est bien connu toutefois que les signaux à 60 GHz se propagent de façon erratique dans les endroits où se trouvent de nombreux obstacles, les composantes réfléchies et diffractées étant considérablement atténuées. Le type de polarisation de l'antenne d'émission et de réception est l'un des critères affectant la qualité de réception du signal, en plus des pertes additionnelles liées à l'absorption par l'oxygène dans l’air et les pertes de propagation associées au parcours. Pour palier partiellement à ces problèmes, les antennes doivent être directionnelles à polarisation circulaire avec un gain élevé et une large bande passante. Ce travail présente une nouvelle approche pour améliorer les propriétés de rayonnement des antennes BIE (Bande Interdite Électromagnétique) en utilisant une combinaison entre les antennes à résonateurs diélectriques DRA (Dielectric Resonator Antenna) et les superstrats métamatériaux pour profiter des avantages individuels de chacun d’eux. L’objectif est de concevoir, étudier analytiquement, numériquement et expérimentalement de nouvelles structures performantes de type BIE et de caractériser leur potentiel en termes de la bande passante, du gain, de l’efficacité et de la polarisation pour un fonctionnement optimal autour de 60 GHz, conformément aux exigences d’un canal minier. Initialement, une antenne émettrice originale BIE fonctionnant à 60 GHz, caractérisée par un gain élevé et une polarisation circulaire à large bande est proposée. Cette antenne est constituée d’un résonateur diélectrique en forme de croix (XDRA) et elle est utilisée comme une source d’alimentation pour générer la polarisation circulaire avec une couche supérieure de type FSS (surface sélective en fréquence) pour améliorer le gain et la bande passante de la source d’excitation. Ensuite, une nouvelle approche analytique pour calculer les propriétés de rayonnement des antennes BIE est développée. Pour satisfaire aux exigences des ondes millimétriques en termes de gain, on présente une autre antenne hybride basée sur la combinaison de la théorie des réseaux et la notion des antennes BIE monosource. Cette nouvelle structure multisources permet d’atteindre une amélioration de gain de 3.5 dB par rapport à l’antenne monosource mais, la bande passante de ces structures reste encore incompatible avec de nombreuses applications à 60 GHz. Pour remédier au problème de la bande passante limitée, une nouvelle approche hybride est subséquemment introduite. Cette technique est basée sur l’excitation de la structure BIE par des antennes à résonateur diélectrique multi segments et, ensuite, le concept du superstrat métamatériau est introduit pour améliorer le produit gain- bande passante. Finalement, pour rendre la communication plus flexible soit que les antennes peuvent être utilisées simultanément en tant qu’émetteur et récepteur, une structure BIE unique à polarisation configurable est conçue. La structure est composée d'une excitation sous la forme d'une antenne à résonateur diélectrique pyramidal DRA recouvert avec un superstrat FSS. Ce dispositif est capable de basculer entre la polarisation circulaire et linéaire par une simple rotation mécanique du résonateur diélectrique de 45 degrés. L'avantage de cette structure réside dans le fait que les propriétés de la bande passante, du gain, de l’efficacité et de la forme des diagrammes de rayonnement sont maintenues stables lors de la commutation entre les deux configurations de polarisation circulaire et linéaire. / A reliable communication system in confined areas, in particular underground mines, can largely increase safety and production output. Today’s, wireless data rates in confined environments are limited to a maximum of about 1 Gbits/s. The demand for wireless 2 to 10 Gbits/s data rate systems will , however, become a necessity due to the introduction of advanced 4G technologies and the foreseeable implementation of 5G. The potential use of millimeter wave communication systems, such as ISM 60 GHz band, which offers 7 GHz of bandwidth, is one of the most direct and easiest ways to achieve such high data rate of 2–10 Gbits/s. It is well known that 60 GHz signals propagate erratically through in environments with many obstructions, since both the reflected and diffracted waves are significantly attenuated. The polarization of the transmitting and receiving antennas is one of the important parameter to take into account, along with additional losses due to oxygen absorption and propagation path loss in assessing received signal quality. These situations limit the communication achievable distance link and overcoming of these disadvantages requires circular polarization directive antennas with a high gain and broadband capability. This work presents a novel approach to improve the radiation properties of Electromagnetic Band Gap antennas (EBG) using a combination between dielectric resonator and metamaterial superstrate to take advantage of the individual benefits of each of them. The aim is to design, study analytically, numerically and experimentally new performant EBG structures and characterize their potential in terms of bandwidth, gain, efficiency and polarization for an optimum performance around 60 GHz fulfilling the requirements of a mining environment. Initially, an original transmitting 60 GHz antenna with high gain, broadband, circularly polarized Electromagnetic Band Gap (EBG) antenna is presented. The designed antenna is configured with a superstrate based on a frequency selective surface (FSS) placed in front of a Cross Dielectric Resonator (XDRA), installed into a ground plane, which acts as an excitation source. Then, a new analytical approach is developed to derive the radiation properties of the proposed EBG antenna. To satisfy millimeter wave requirements in terms of gain, another hybrid antenna based on the combination of superstrate structures and array technology has been developed. This new multi-source structure has achieved a gain improvement of 3.5 compared to the monosource antenna. However, the bandwidth of these structures remains incompatible with many applications at 60 GHz. To overcome the problem of the limited bandwidth, a new hybrid approach is introduced. This technique is based, on the excitation of the structure by a multilayer cylindrical dielectric resonator antenna, and then, the concept of metamaterial superstrate is introduced for enhancing the gain-bandwidth product. Finally, to make communication more flexible so that the antennas can be used for transmission and reception simultaneously, a new reconfigurable polarisation EBG antenna is designed. The structure is composed of an exciting pyramidal DRA source covered with FSS superstrate. The device can switch between circular and linear polarization by a simple mechanical rotation of the pyramidal DRA by 45°. The advantage of this structure resides in the fact that it maintain stable bandwidth gain, efficiency and radiation properties when switching between the two configurations of circular and linear polarization.

Une grande proportion des patients atteints de cancer sont traités avec des médicaments à base de platine. L'un de ces principaux médicaments, le cisplatine, est injecté par voie intraveineuse chez les patients. Ensuite, une grande majorité de ces molécules sont excrétées par l'urine. Cette molécule, qui a un impact toxicologique sur l'environnement, se retrouve dans les eaux usées. Les effluents hospitaliers représentent la seconde source de métaux du groupe platine dans les eaux usées des municipalités. La technologie plasma à décharge à barrière diélectrique (DBD) développée dans ce projet peut être adaptée à la récupération des métaux précieux. L'hypothèse du projet est qu'un réacteur plasma DBD permettrait de récupérer le platine provenant du cisplatine contenu dans les effluents hospitaliers pour ainsi réduire l'empreinte environnementale des rejets. Dans le cadre de ce projet, nous avons développé une procédure plasma pour extraire le platine des eaux usées produites par les cliniques d'oncologie. Les caractéristiques du plasma DBD ont été mesurées. Ces paramètres du plasma permettront de comprendre les interactions entre le plasma et le liquide qui sont à l'origine de la dégradation du cisplatine. L'approche inactive les molécules et convertit le platine en nanoparticules. Les nanoparticules de platine obtenues ont été caractérisées par différentes techniques : microscopie électronique à transmission (MET), analyses physico-chimiques (XPS, EDX, UV-vis) et analyse élémentaire (MP-AES). Ce projet a permis de révéler le potentiel des traitements par plasma pour l'élimination du cisplatine des effluents hospitaliers et la récupération de ce métal précieux. / A large fraction of cancer patients are treated with platinum-based drugs, and cisplatin is one of the main widely used molecules. It is injected intravenously into patients. Then, a majority of these molecules are excreted by the urine. Cisplatin, which has a toxicological and carcinogenic impact on the environment, is found in wastewater. In fact, hospital effluents are the second largest source of platinum metal in municipal wastewater. Technologies such as dielectric barrier discharge (DBD) atmospheric pressure plasmas can be adapted to recover precious metals from wastewaters. The hypothesis of this project is that a DBD plasma reactor could be used to recover platinum contained in the cisplatin eliminated in the hospital effluents. This would reduce the environmental footprint of the hospital effluents. In this project, we have developed a plasma technology and procedure to extract platinum from the hospital's wastewater. The plasma produced by the DBD system was characterised to better understand the interactions between the plasma and the liquid, leading to the degradation of cisplatin. The approach inactivates the molecules and converts platinum into nanoparticles. The resulting platinum nanoparticles were characterized by different techniques: transmission electron microscopy (TEM), physico-chemical analysis (XPS, EDX, UV-vis) and elementary analysis (MP-AES). This project has contributed to quantify the potential of plasma treatments for the elimination of cisplatin found in the hospital effluents and the recovery of this precious metal.

Le domaine de lʼélectronique de puissance est un domaine en pleine expansion dans les applications ferroviaires, avioniques et automobiles. Ce développement est rendu possible grâce à lʼarrivée sur le marché de composants de puissance qui nʼont cessé dʼévoluer afin dʼaugmenter leurs performances tout en réduisant leurs tailles. Ces modules de puissance, tels que les modules à IGBT qui peuvent commuter jusquʼà 600 A sous 6500 V, sont constitués d'interrupteurs élémentaires (transistors et diodes) disposés sur un substrat céramique. Les liaisons entre composants sont assurées par des fils de connections et des pistes conductrices disposées sur le substrat. Lʼensemble est inséré dans un boitier et encapsulé par un gel de type silicone pour assurer la protection de lʼensemble contre les agressions extérieures. Avant dʼêtre intégrés dans les modules, ces substrats céramiques doivent subir différentes étapes de préparation. Ces étapes sont la découpe, le perçage, le marquage, le traitement de surface (surfaçage ou préparation à la métallisation) et le nettoyage. Ces traitements sont réalisés avec différents moyens technologiques : découpe, marquage ou nettoyage laser, traitements thermiques, nettoyages chimiques... et peuvent apporter des modifications bénéfiques, néfastes ou neutres sur les propriétés diélectriques des substrats. Jusquʼà ce jour, très peu dʼétudes ont été menées pour déterminer les impacts de ces traitements sur le comportement diélectrique des alumines ainsi traitées. Il est donc primordial de connaître ces effets afin dʼune part dʼidentifier les étapes industrielles qui peuvent nuire aux propriétés diélectriques des substrats et dʼautre part de tirer profit des résultats obtenus dans le cadre dʼune démarche dʼintégration de puissance. Les caractéristiques diélectriques qui ont été évaluées sont la rigidité diélectrique, la conduction électrique volumique et surfacique, les pertes diélectriques et la permittivité. Ainsi une gradation des effets induits par ces traitements, et ceci pour chaque type de traitement, a pu être estimée. Les conclusions de nos expériences ont montré que les propriétés diélectriques dépendant du volume de lʼalumine nʼétaient affectées que par les traitements thermiques. Sur un plan scientifique, nous nous sommes focalisés sur l'origine de la modification des propriétés électriques à partir des changements microstructuraux engendrés par ces différents traitements. Les résultats expérimentaux obtenus ont permis dʼétayer des hypothèses émises lors dʼétudes antérieures menées au laboratoire Laplace. Le mécanisme régissant la conduction à haut champ électrique a pu être ainsi identifié et associé à la taille des grains dʼalumine. En ce qui concerne la rupture diélectrique, des informations cruciales concernant son origine ont pu permettre de lever des incertitudes quant au rôle de lʼétat de surface. Enfin, ce travail a permis dʼémettre des propositions de traitements spécifiques qui devraient permettre de réduire la dimension des substrats des modules de puissance par le biais dʼune réduction des contraintes électriques surfaciques.

Le but de ce travail de thèse est d'explorer la potentialité des polymères électroactifs pour une application de récupération d'énergie mécanique ambiante.<br /><br />Les polymères électroactifs incluent la famille électronique (piézoélectrique, diélectrique...) et la famille ionique (IPMC, ionic gels...). Grâce à un état de l'art complet, six types de polymères ont été sélectionnés, modélisés analytiquement (couplage électromécanique) et caractérisés. De cette première partie comparative ressortent les polymères diélectriques à la forte densité d'énergie récupérable (1.5J.g-1). <br /><br />La seconde partie de ce travail de thèse concerne la mise en place d'un modèle analytique électro-mécano-thermique le plus fiable possible et adaptable à tous types de structures et de sollicitations. Pour ce faire, une large campagne de mesures électriques et mécaniques a été opérée afin de déterminer finement le comportement physique du matériau, les variations des paramètres intrinsèques et les pertes associées. Ce modèle analytique est validé par une série de tests sur des cas simples de structures.<br /><br />La dernière partie de ce travail de thèse concerne le développement d'une application novatrice : la récupération d'énergie mécanique au niveau du genou lors de la marche humaine. Le convertisseur a été dimensionné grâce au modèle développé, puis testé in situ. Finalement, des pistes pour la gestion électrique autonome de l'application sont proposées.

La production de nanoparticules (NPs) par des décharges spark en phase liquide permet d’atteindre des rendements jusqu’à présent inégalés de l’ordre de quelques centièmes de milligramme par joule. Même si l’essentiel de l’énergie est dissipé dans la formation de la décharge, l’érosion des électrodes métalliques permet la production efficace de NPs. La nature des NPs formées est largement tributaire du liquide diélectrique dans lequel la décharge est réalisée. Il est ainsi possible de contrôler les nanoparticules produites en choisissant de manière ad hoc les électrodes et le liquide. Nous cherchons dans ce travail à comprendre les mécanismes qui ont lieu durant la décharge en étudiant différents cas d’élaboration de NPs soit d’alliages soit de composites. Les NPs synthétisées auront des applications dans divers domaines selon le(s) matériau(x) choisi(s). À l’aide d’un générateur d’impulsions nanosecondes, les décharges ont été créées en appliquant une impulsion de haute tension (10 kV- 200ns- 10 Hz) entre deux électrodes immergées dans de l’azote liquide. Trois systèmes principaux ont été étudiés : Si-Sn, Cu-Zn et Cu-Ag. Les tests ont été réalisés avec des électrodes pures ou avec des alliages contenant les 2 éléments en proportions variables pour améliorer notre compréhension sur la manière dont les nanoparticules sont formées. Des analyses en microscopie électronique en transmission à haute résolution (HRTEM), en spectroscopie des rayons X à dispersion d'énergie (EDX), en spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) et des analyses de micro-diffraction ont été menées pour caractériser les NPs synthétisées (morphologie, cristallinité, composition chimique, etc.). Enfin, des mesures de spectroscopie d’émission optique résolues dans le temps ont été réalisées pour disposer d’informations sur l’évolution temporelle des raies émises au cours de la décharge et ainsi sur les conditions qui prévalent dans le plasma / Discharges in liquids offer a simple way to synthesize nanoparticles at high rate and low cost. When spark discharges are ignited in a dielectric liquid, a strong heating of the electrode material occurs, producing a metallic vapor from which nanoparticles grow by condensation. Even if most of the energy is dissipated in the formation of the discharge, the erosion of the metal electrodes allows the efficient production of NPs. The nature of the NPs formed is largely dependent on the dielectric liquid in which the discharge is performed. It is thus possible to control the nanoparticles produced by choosing the electrodes and the liquid in an appropriate manner. We seek in this work to understand the mechanisms that take place during the discharge by studying different cases of elaboration of NPs either alloys or composites. The synthesized NPs will have applications in various fields depending on the material(s) chosen. Using a nanosecond pulse generator, the discharges were created by applying a high voltage pulse (10 kV-200ns-10 Hz) between two electrodes immersed in liquid nitrogen. Three main systems have been studied: Si-Sn, Cu-Zn and Cu-Ag. The tests were performed with pure electrodes or alloys containing the 2 elements in varying proportions to improve our understanding of how nanoparticles are formed. High resolution transmission electron microscopy (HRTEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), electron energy loss spectroscopy (EELS) and micro-diffraction analyzes were carried out to characterize the synthesized NPs (morphology, crystallinity, chemical composition, etc.). Finally, time-resolved optical emission spectroscopy measurements were performed to obtain information on the temporal evolution of the lines emitted during the discharge and thus on the conditions that prevail in the plasma

La dispersion des nanotubes de carbone (NTC) dans le polyfluorure de vinylidène (PVDF) est un grand défi pour avoir de meilleures propriétés diélectriques. Les hybrides, titanate de baryum (BT)-NTC, ayant une structure particulière sont révélés être efficaces pour l'amélioration de la dispersion de NTC dans la matrice de polymère et la réduction du seuil de percolation du matériau composite. Cette thèse vise à atteindre une haute performance diélectrique du composite via la conception de charges ayant une structure favorable ainsi que l'étude exhaustive de l'interaction entre les NTC et la matrice de polymère semi-cristallin.Dans le chapitre 1, un bref revu de l'état de l'art sur le contexte général des matériaux diélectrique est introduite ainsi les progrès récents dans ce domaine sont présentés pour mieux comprendre les composites et leurs application.Dans le chapitre 2, nous préparons deux types d'hybrides avec deux structures différentes. Les premiers hybrides sont préparés par un dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Les BT forment le noyau de ces hybrides et les NTC croient dessus (H-NTC-BT). Les deuxième hybrides sont préparées par réaction hydrothermale où NTC sont revêtus par les BT (H-BT-NTC). Par la suite, nous préparons des composites avec une matrice de PVDF renforcés par les deux types d'hybrides déjà synthétisés cela en coulant la solution puis par extrusion-injection. En outre, les méthodes de caractérisation de la morphologie, des propriétés thermiques, diélectriques et la cristallisation sont également introduites dans ce chapitre.Dans le chapitre 3, les comportements diélectriques de H-NTC-BT/PVDF sont étudiés en détails. Une augmentation dramatique de la permittivité diélectrique est observée après le traitement thermique. Ce changement peut être dû à la réorganisation du réseau conducteur de NTC et la recristallisation de PVDF. Par la modélisation et la caractérisation expérimentale, Nous déduisons que cette augmentation significative de la permittivité diélectrique après le traitement thermique est dû au rétrécissement de la distance de NTC dans des couches amorphes voisine de PVDF d'un côte et au polymorphe β à l'interface NTC-PVDF d'un autre.Dans le chapitre 4, la dispersion des NTC dans la matrice du composite PVDF est étudiée par la conception de différentes structures. Tout d'abord, une comparaison du seuil de percolation de H-NTC-BT/PVDF calculé et celui déterminé expérimentalement est menée pour mieux comprendre la morphologie de H-NTC-BT. Ensuite, deux comparaisons sont menées:- La première compare les facteurs de transformation de la dispersion des NTC dans les composites H-NTC-BT/PVDF et NTC/PVDF cela en mesurant de la conductivité AC dans les différentes couches de ces composites.- La deuxième compare trois types de composites de PVDF renforcés par des hybrides ayant la même fraction volumique de NTC et BT mais des structures différentes. L'effet de ces différentes structures de ces hybrides est étudié en comparant leurs propriétés diélectriques.Pour finir une conclusion générale est présentée dans le chapitre 5 ainsi les perspectives prévues pour les travaux futurs. / The dispersibility of carbon nanotube (CNT) in polyvinylidene fluoride (PVDF) is always a big challenge for the high dielectric property. Barium titanate (BT)-CNT hybrids with the special structure are proved to be effective for improving the dispersion of CNT in the polymer matrix and reduce the percolation threshold of the composite. This thesis aims to achieve high dielectric performance of composites via designing fillers with the favorable structure as well as comprehensively study the interaction between CNT and semi-crystalline polymer matrix.In chapter 1, we provide a general introduction about dielectric material's background knowledge. Meanwhile the development including recent breakthroughs and their applications for the dielectric field are also provided in this chapter.In chapter 2, we prepare two hybrids with different structures. The first hybrids are prepared by chemical vapor deposition (CVD) method. It is with the structure of BT as a core and CNTs growing outsides (H-CNT-BT). The second hybrids are prepared by hydrothermal reaction where BT particles coats outside CNT (H-BT-CNT). Meanwhile, we fabricate hybrids reinforced PVDF matrix composites by solution casting plus extrusion-injection way. Additionally, methods for characterization involving morphology, thermal and dielectric properties as well as crystallization are also introduced in this chapter.In chapter 3, the dielectric behaviors of H-CNT-BT/PVDF are studied concretely. A dramatic increment on dielectric permittivity is observed after the thermal treatment. This change may result from the reformation of CNT's conductive network and the behavior of PVDF's re-crystallization. By modeling work and experimental characterization, the shrinkage of the neighboring CNT's distance in PVDF's amorphous layers and the induced β polymorph at the CNT-PVDF interface may cause the significant increment in dielectric permittivity after the thermal treatment.In chapter 4, the CNT's dispersibility in PVDF matrix composites is studied by designing different structures. Firstly, a comparison between calculated and experimental percolation threshold of H-CNT-BT/PVDF is conducted for studying the morphology parameters of H-CNT-BT. Afterwards, two comparisons are conducted: one is between H-CNT-BT/PVDF and CNT/PVDF. The processing factors for the CNT's dispersibility are discussed via measuring the different layer's AC conductivity. The other is among three hybrids reinforced PVDF composites. The hybrids structure's effect the CNT's dispersibility is discussed via comparing the dielectric property of the composites with the same volume fraction of CNT and BT but different structures.In chapter 5, a general conclusion is formed according to the works and the perspective is provided for the improvement of the future work.

Les matériaux diélectriques sont présents dans de nombreux dispositifs en microélectronique. Ces derniers peuvent être soumis à de fortes contraintes électriques impactant leur durée de vie. Le stress électrique peut en effet provoquer le claquage du diélectrique ou la modification des performances des composants par accumulation de charges. Dans ces travaux de thèse, différentes méthodes de caractérisation et d'analyse physique ont été utilisées pour étudier la structure des échantillons et identifier les mécanismes en jeu dans le processus d'accumulation de charges dans des couches minces de nitrure de silicium. Puis un code de simulation modélisant les phénomènes de transport de charges dans les isolants a été développé. Le modèle prend en compte des phénomènes de transport par effet tunnel et par effet thermique, dans le volume du diélectrique et aux interfaces isolant-métal. Il permet d'étudier l'évolution de grandeurs physiques (courants, charge, champ électrique) en fonction du temps et de la profondeur dans la couche mince diélectrique. Des résultats de mesures sur des composants capacitifs ont pu être reproduits grâce aux simulations. Cet outil permet d'estimer l'intérêt d'un matériau diélectrique relativement à la fiabilité de composants capacitifs. Il peut également être utilisé en amont afin de définir un matériau aux propriétés idéales pour l'application visée ou aider au dimensionnement de dispositifs en microélectronique. / Dielectric materials can be found in numerous devices in microelectronics. They can be subjected to significant electrical stress, which impacts their lifetime. Indeed, this electrical stress can lead to dielectric breakdown or modify the component performances by charge storage. In this work, several characterization methods and physical analysis have been used in order to study the samples and identify mechanisms involved in charge transport in silicon nitride thin films. Then a simulation code has been developed to model charge transport phenomena in insulators. This model takes into account tunnel and thermal effects in the dielectric and at the dielectric-metal interfaces. The temporal and spatial evolution of physical quantities (currents, charge, electric field) in the dielectric film are calculated. Measurement results on capacitive components can be obtained thanks to simulations. This simulation tool allows testing dielectric materials according to capacitive component reliability. It may be used to define optimal properties for materials depending on applications or to assist in device design in microelectronics.