Lénergie électrique est un facteur primordial du développement. Les pays en développement, souvent situés dans les régions tropicales, ont encore à ce jour un déficit en taux délectrification et, en plus, les réseaux électriques existants connaissent de nombreuses perturbations, dues notamment aux problèmes de mise à la terre. Depuis plusieurs décennies, des recherches se sont intensifiées dans le domaine des mises à la terre des installations électriques. Ces recherches visaient, dans leur grande majorité, les comportements de ces mises à la terre à fréquence ndustrielle et en régime établi ; en plus,la résistivité du sol considérée était généralement proche de 100 Ω.m (valeur souvent rencontrée dans les régions tempérées), ce qui nest pas le cas en région tropicale dans certains types de terrain (les résultats des mesures effectuées en République Démocratique du Congo le prouvent : les résistivités des sols peuvent atteindre plusieurs milliers de ohms-mètres). En outre, les normes relatives aux mises à la terre se basent principalement sur ces données qui ne sont plus vraies en ce qui concerne la résistivité pour certains types de sol en milieu tropical. Pire, dans certaines de ces régions, le niveau kéraunique est élevé. En très hautes fréquences, les comportements des mises à la terre sont fort différents de ceux à fréquence industrielle. Plusieurs études (théoriques et expérimentales) ont été effectuées à ce sujet mais des zones dombre persistent encore à ce jour. Les hypothèses simplificatrices viennent encore sajouter à ces zones dombre et compliquent davantage la précision dans lanalyse. La décharge par la foudre (inévitable dans les régions à niveau kéraunique élevé), avec des niveaux énergétiques importants, couplés aux mauvaises caractéristiques du sol (résistivité élevée), conduit à des difficultés dexploitation et à une mise en oeuvre minutieuse des mises à la terre, faute de quoi les perturbations dans les installations électriques sont répétitives ; en plus, la sécurité du matériel et des personnes nest plus garantie. Des outils danalyse numérique pour lévaluation des mises à la terre sont donc nécessaires. Dans ce travail, nous ferons usage de calculs par éléments finis pour évaluer les performances des mises à la terre en intégrant plusieurs cas et configurations possibles, dans le souci de se rapprocher des réalités physiques. Des comparaisons seront établies avec des calculs analytiques, lesquels font usage, dans de nombreux cas, de plusieurs approximations pour les rendre simples. Des solutions concrètes pour la meilleure réalisation des mises à la terre, en minimisant la résistance et la tension de pas, seront proposées. La plupart des configurations de mise à la terre requièrent des calculs par éléments finis en trois dimensions. Ceux-ci deviennent onéreux en termes de temps et de ressources. Une méthode dite « de perturbation » a été mise au point, méthode qui consiste à subdiviser le problème à trois dimensions en plusieurs problèmes axisymétriques, le temps et les ressources pour le calcul devenant sensiblement réduits. Cette méthode est détaillée dans le deuxième chapitre. Le calcul par éléments finis permettra aussi danalyser, toujours dans ce deuxième chapitre, le comportement transitoire des électrodes de terre face à londe de foudre. Le premier chapitre rappelle quelques notions de base élémentaires et importantes à la compréhension de lanalyse des mises à la terre des installations électriques. Le troisième chapitre traite des mises à la terre et des lignes électriques. Les lignes électriques sont sujettes à des perturbations dorigine atmosphérique (foudre). Ces perturbations provoquent des déclenchements préjudiciables à la continuité de service. Pour les lignes à haute tension, le câble de garde permet une protection contre les coups de foudre, mais pour bien jouer son rôle, les mises à la terre des pylônes doivent avoir une impédance relativement faible. Une analyse de cette exigence est réalisée pour la ligne 220 kV Inga-Kinshasa, corridor énergétique important pour lalimentation électrique de la ville de Kinshasa. Cette ligne est située dans une région tropicale à niveau kéraunique élevé et connaît des fréquents déclenchements dus à la foudre. Les recherches que nous avons menées sur les mises à la terre ont permis aussi dobtenir, par des mesures, des données chiffrées fiables sur les propriétés électriques du sol dans la région de Kinshasa en République Démocratique du Congo, données très importantes pour la conception des mises à la terre en région tropicale. Les résistances des mises à la terre des plusieurs cabines de distribution ont aussi été mesurées. Le quatrième chapitre est donc consacré, dans sa première partie, aux résultats de ces mesures. A partir de ces résultats, nous proposons des pistes de solutions concrètes pour la meilleure réalisation des mises à la terre, en respectant les normes pour la sécurité des équipements et des personnes. Enfin, le comportement transitoire sera analysé, pour des cas délectrodes de terre de forme simple et leffet de la résistivité élevée des sols sur ce comportement. Le coût étant un aspect important en milieu tropical (généralement pauvre), nous allons en tenir compte dans les solutions optimales des mises à la terre. Lintérêt de ces recherches sur les mises à la terre est de permettre leur réalisation minutieuse afin den minimiser limpact négatif sur le fonctionnement harmonieux des réseaux électriques en régions pauvres et de forte résistivité. Pour ce faire, il faut donc, comme nous venons de le souligner ci-haut, se rapprocher davantage des réalités physiques des phénomènes en jeu.

Pas de résumé

Cette thèse a pour but l'étude de la propriété de platitude sur des modèles bond graphs (BGs) non linéaires et de contribuer à la résolution des problèmes rencontrés en pratique qui sont liés principalement à l'identification des sorties plates et le calcul de la paramétrisation différentielle. <br />Pour atteindre cet objectif, de nouveaux concepts et outils graphiques ont été introduits. En particulier, grâce à l'introduction de la notion de modèle BG tangent ou variationnel à l'aide de l'utilisation des différentielles de Kähler, il est possible de calculer les sorties plates d'un modèle BG non linéaire par intégration des bases du module qui lui est associé.<br />Par ailleurs, en définissant la notion d'anneau BG non commutatif, une nouvelle règle de gain connue sous le nom de "règle de Riegle" est introduite en BG. En montrant alors qu'un modèle BG variationnel est un cas particulier d'anneau BG non commutatif, l'obtention graphique de la paramétrisation différentielle en utilisant la règle de Riegle et la notion de bicausalité est rendue possible.<br />Enfin, pour aller plus loin dans l'introduction de l'outil d'algèbre et de modules différentiels aux BGs, le cas des modèles BGs non linéaires régis par des équations différentielles polynômiales a été abordé. Dans ce contexte, le BG permet de faire une analyse directe des propriétés principales du système telles que le choix des variables d'entrée, les dynamiques correspondant à un choix d'entrée, le calcul des degrés de transcendance (non différentiel) différentiel, etc. à partir de son modèle BG associé. Il est également montré que la règle graphique de Riegle peut être étendue à cette classe de modèles BGs.

Le dépôt d'énergie cinétique d'un projectile rapide dans une cible conduit à l'éjection de matière sous forme d'atomes ou d'agrégats ("pulvérisation"). La mesure des rendements, des distributions en énergie et en angle des particules pulvérisées contribuent à comprendre le processus microscopique de l'endommagement et de la création de défauts dans les matériaux. Un nouveau dispositif expérimental ultra vide (AODO) permet de mesurer les distributions en masse et les vecteurs vitesse de chaque ion secondaire émis par technique d'imagerie XY-TOF-SIMS ("Secondary Ion Mass Spectroscopy"). Ici, nous nous intéressons à la pulvérisation du fluorure de lithium (isolant cristallin "modèle" à gap très important ≈ 14 eV) irradié par des ions lourds rapides (≈ 10 MeV/u). En fonction du pouvoir d'arrêt Se, deux régimes de l'évolution des rendements de pulvérisation Y des ions secondaires sont observés. Pour les faibles Se (< 8 keV/nm), régime de faible perturbation, Y ~ Se^ 2. Pour les forts Se (> 8 keV/nm), régime de forte perturbation, une saturation (Y = constante) est observée. Les données expérimentales permettent aussi de tester des modèles théoriques proposés dans la littérature (le modèle de l'onde de choc, pointe thermique, explosion coulombienne...). Il apparaît qu'aucun de ces modèles ne peut interpréter correctement l'ensemble de ces résultats. Une distribution de type Maxwell- Boltzmann décrit bien les distributions en énergie des ions secondaires. Les processus générant la pulvérisation doivent donc être principalement d'origine thermique.

Le but principal de nos travaux est de commander la tension de sortie de réseaux électriques embarqués. La première partie de ce manuscrit étudie en détail la modélisation et le comportement de ces systèmes. Sous certaines conditions de fonctionnement, ils peuvent être représentés comme des modèles Linéaires à Paramètres Variants (LPV). Il est ainsi possible de prouver la stabilité et la performance des systèmes avec des outils théoriques bien établis. Ces systèmes présentent des dynamiques très riches, et il est, dans certaines situations, très difficile de les commander. Une analyse dynamique est présentée, et une classification des systèmes en fonction des charges connectées est proposée. A partir de cette classification, il est possible de décider quelle stratégie de commande doit être utilisée pour les piloter. La deuxième partie de ce manuscrit apporte une contribution à la commande des réseaux électriques embarqués. Classiquement, une approche basée sur le ``rejet de perturbation'' est utilisée : le système subit l'impact de charge et le régulateur de tension doit ramener cette grandeur à sa valeur nominale. Notre stratégie est différente : avant que l'impact ne se produise, le système est amené à un état plus favorable à celui-ci. De cette façon la commande utilisée au moment de l'impact permet alors de mieux l'atténuer. Comme le modèle du système varie pour chaque charge différente, les gains des régulateurs que nous avons développés s'adaptent à cette variation. De cette façon, pour toute charge, un régulateur optimal est utilisé pour commander le système. D'où la dénomination de "Commande Anticipative à Gains Programmés".

Les jeux de barres, canalisations électriques préfabriquées et plus généralement toutes les interconnexions sont indispensables à l'architecture de la filière électrique. Ces connectiques que l'on souhaiterait ‘transparentes' sont néanmoins le ‘parent pauvre' de l'optimisation car elles sont le lieu de pertes par effet Joule souvent largement supérieures au minimum théorique, du fait de répartitions de courant non-uniformes dans leurs sections.<br />Afin de prendre en compte ce phénomène dès la conception (au travers d'un outil logiciel dédié), on introduit une méthode de modélisation adaptée. Alors que les méthodes éléments finis sont adaptées aux organes de conversion électromécaniques, les connexions sont plus naturellement modélisées par la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit).<br />Couplée à des optimiseurs, cette méthode se révèle très efficace pour améliorer le design des conducteurs, tant sur l'agencement des barres pour lutter contre les effets de proximité que, comme on le montre ici, sur la forme des sections pour minimiser l'effet de peau par couplage à des algorithmes génétiques. Les outils développés donnent alors accès à une marge de gain importante jusqu'ici peu explorée. Afin de s'adapter aux dispositifs étudiés, dont une partie est entourée d'enveloppes métalliques, une extension de la méthode (baptisée ‘µPEEC') prenant en compte l'aimantation des tôles ferromagnétiques est proposée.<br />Pour l'épineux problème du choix de fonction objectif, l'analyse du cycle de vie et la recherche du moindre impact environnemental peuvent orienter l'arbitrage entre coût matière et pertes Joule consenties. Une extrapolation des gains accessibles est proposée.

Ce travail de thèse propose, par une approche multi-échelles, une compréhension de certains mécanismes de constitution des réseaux percolants de nanotubes de carbone initialement dispersés au sein de polymères thermoplastiques. L'impact du phénomène de « percolation dynamique » sur les propriétés électriques d.c. et a.c. des nanocomposites a ainsi été étudié par l'établissement d'inter-relations entre l'organisation des charges et les propriétés résultantes. L'effet de cette auto-organisation des systèmes sur les paramètres critiques d.c. de la loi de percolation statistique sont discutés. Des origines à la percolation dynamique sont proposées et permettent d'envisager de nombreuses applications industrielles. A titre d'exemple, le contrôle sur plusieurs ordres de grandeur de la permittivité et de la conductivité est proposé, certaines valeurs n'étant pas accessibles avec les méthodes conventionnelles. / The present thesis proposes a multi-scale understanding of some mechanisms that govern the genesis of percolating networks constituted with carbon nanotubes in thermoplastic polymers. The effect of "dynamic percolation" on the d.c. and a.c. electrical properties of the resulting nanocomposites was studied by means of the identification of the relationships between the filler organization and the use properties. The consequences of this controlled self-organization on the statistic percolation law d.c. critical parameters are discussed. Two possible origins of the dynamic percolation are proposed. From an applicative point of view, thermal treatments were applied to design new materials. The range of accessible permittivity and conductivity values is also discussed.

Le but de ce projet est d'étudier les propriétés mécaniques et électriques d'une monocouche de phospholipide supportée sur silicium en vue de son utilisation comme diélectrique de grille dans un biocapteur à transistor à effet de champ. Ces monocouches de 3nm sont formées par fusion de vésicules. Les lipides utilisés possèdent des triples liaisons dans leurs chaînes alkyles permettant une polymérisation radicalaire. Nous montrons que la polymérisation stabilise la monocouche à l'air et améliore sa résistance mécanique. Les mesures ont été réalisées par mesure de force par AFM, la force de ‘rupture' de la monocouche par la pointe AFM augmentant après polymérisation. L'étude de la force en fonction de la vitesse d'approche de la pointe nous a permis de montrer que la rupture de la couche est un phénomène activé qui dépend de la vitesse. Nous avons pu ainsi déterminer pour chacune des deux surfaces, polymérisées ou pas, l'énergie d'activation de rupture de la couche du système couche/pointe et une estimation du module de Young. Ces grandeurs qui augmentent après polymérisation montrent une amélioration des propriétés mécaniques. Nous nous intéressons également aux propriétés électriques de ces monocouches. Nous avons réalisé des mesures Courant-Tension I(V) à partir desquelles nous avons pu déterminer la résistance de la couche, les densités de courant de fuite et la tension de claquage. Les résultats obtenus démontrent que ces monocouches ultrafines possèdent de très bonnes propriétés isolantes. De plus nous avons révélé la propriété très intéressante d'auto-régénération de la monocouche isolante après claquage à l'air, à température ambiante en quelques minutes seulement. / The main goal of this project was to study the electrical and mechanical properties of a solid supported lipid monolayer in order to use it as a dielectric insulator in a Field Effect Transistor based biosensor. The 3 nm lipid monolayer supported on silicon was obtained by the vesicle fusion method. DC8,9PC phospholipids containing acetylenic moiesties were selected. The lipid monolayer was stabilized on the substrate by two-dimensional polymerization in the plane of the layer. We demonstrate that this polymerization stabilizes the monolayer in air. Force measurements realized by AFM on both polymerized and non-polymerized layers demonstrated a net improvement of the nano-mechanical resistance of the layer after polymerization with a net increase of the force required to rupture the layer. Measurements realized at different loading rates have evidenced the fact that the monolayer rupture is an activated process that depends on the loading rate. For both types of layers, we have determined the intrinsic rupture activation energy of the tip–layer system as well as their Young modulus. These two physical quantities increase after polymerization and demonstrate a net improvement of the mechanical properties of the polymerized monolayer. The electrical properties of these layers have also been investigated. Current-Voltage measurements were done on the monolayer in the air at room temperature. The differential resistance, the leakage current, the breakdown voltages were measured and showed that the polymerized monolayer behaves as a good electric insulator. In addition, we demonstrated a very interesting property of autonomic self-healing after electrical breakdown.

Le besoin croissant d'intégration de nouvelles fonctions dans les futures générations de dispositifs portables contribue au surpeuplement des circuits imprimés. Dans ce contexte, la miniaturisation des composants discrets est impérative pour compenser l'augmentation de leur nombre et pour garder la taille des cartes de circuit imprimé gérable. L'un des composants les plus courants de ce type est le condensateur, qui peut être utilisé pour découpler une partie d'un réseau électrique d'un autre. Cependant, la miniaturisation des condensateurs nécessite une augmentation de leur densité de capacité, impliquant l'intégration de condensateurs haute densité. Le succès d'une telle intégration repose sur l'utilisation à la fois de matériaux à haute constante diélectrique et d'une architecture d'empilement. Dans ce contexte, les couches de titanate-zirconate de plomb (PZT) combinées aux piles multi-MIM sont de bons candidats pour la nouvelle génération de condensateurs. La technologie multi-MIM consiste à empiler deux ou plusieurs structures MIM en parallèle afin d'augmenter la densité de la capacité sans modification effective de la surface. Avec la géométrie multi-MIM, la performance de l'appareil est fortement affectée par la qualité de l'interface Métal/PZT, il est donc important d'élaborer une chimie d'interface qui ne dégrade pas les performances des multi-MIM.Cette thèse soutenue par le projet français «Programme de l'économie numérique des investissements d'Avenir » vise deux axes de développement pour l’améliorer de la qualité des interfaces Pt/Ru/PZT: la première concerne l'optimisation du contenu de Pb en excès dans la couche de PZT, tandis que le second étudie les effets du recuit de post métallisation (PMA).La première partie de la thèse est dédiée aux analyses de densité de capacité réalisées sur les condensateurs Pt/Ru/PZT/Pt en fonction de l'excès de précurseur du Pb dans les couches de PZT déposées par voie sol-gel (10, 15, 20 et 30% de Pb respectivement pour PZT10, PZT15, PZT20 et PZT30).Nous montrons qu'une augmentation de l'excès de Pb de 10 à 20% entraîne une augmentation de la constante diélectrique maximale (environ 8,8%), ainsi qu'une diminution de la tangente de perte (de 4,36 à 3,08%) et du champ de claquage (de 1,68 à 1,26MV/cm). La PMA favorise l'augmentation du maximum de constant diélectrique (jusqu'à 7,5%) et le champ de claquage augmente de 0.5 MV/cm.Ensuite, l'influence de la chimie de surface des PZT est étudiée en fonction de l'excès de précurseur de Pb. Cet excès de Pb permet de compenser l'évaporation du plomb pendant le traitement thermique successif. En utilisant la spectroscopie de photoélectrons par rayons X (XPS), nous montrons la présence d'une phase de surface ZrOx. Les faibles niveaux d'excès de Pb conduisent à la formation de nanostructures ZrOx à la surface de la couche de PZT. Un taux plus élevé en Pb favorise la disparition totale nanostructures ZrOx en surface.Enfin, nous avons sondé l'interface Pt/Ru/PZT en fonction de l'excès de Pb et de la PMA. La microscopie électronique en transmission (TEM) montre que les nanostructures de ZrOx sont présentes à l'interface du Ru/PZT10. Les nanostructures cristallines ZrOx pourraient former une couche non ferroélectrique et ainsi affecter la densité de capacité. L'analyse en mode operando (sous polarisation in situ) par XPS haute-énergie montre une réponse électronique dépendant de la polarisation appliquée, probablement grâce à l’écrantage imparfait du champ dépolarisant à l'interface Pt/Ru/PZT10. En outre, une nouvelle phase (PbOx) est observée au niveau Pt/Ru/PZT30, probablement liée à la quantité de Pb en excès dans le PZT30. Cette phase semble induire la diminution du champ de claquage et la densité de capacité observée au niveau du Pt/Ru/PZT30/Pt. Enfin, PMA sur le Pt/Ru/PZT10 montre la création d'alliage à base de ZrRuOx et PbRuOx qui pourrait être à l'origine de l'amélioration des réponses électriques des condensateurs PZT après PMA. / The growing need for the integration of an increasing number of functions into the new generation of portable devices contributes to overcrowding of printed circuit boards. In this context, the miniaturization of discrete components is imperative to maintain a manageable size of the printed circuit boards. Decoupling capacitors are one of the most important such discrete components. Miniaturization requires an increase of capacitance density, involving the integration of high-density capacitors. The success of such integration relies on the use of both high dielectric permittivity materials and a suitable stacking architecture. Lead zirconate titanate (PZT) in decoupling multiple metal-insulator-metal (multi-MIM) stacks is a good candidate for the new generation of integrated capacitors. The multi-MIM technology consists in stacking two or more PZT film-based MIM structures connected in parallel in order to increase the density of the capacitance without any effective surface area change. Device performance is heavily affected by the quality of the interface with the electrodes, so it is important to engineer interface chemistry which does not degrade the multi-MIM performance.This thesis, supported by the French “Programme de l’économie numérique des investissements d’Avenir” addresses two aspects of development aiming to improve the quality of the Pt/Ru/PZT interfaces: the first one concerns the optimization of Pb excess content in the PZT film, while the second one investigates the Post Metallization Annealing (PMA) done after deposition of electrode/PZT multilayer.The first part of the thesis presents the capacitance density analysis performed on Pt/Ru/PZT/Pt capacitors as a function of Pb excess in the sol-gel precursor solution (10, 15, 20 and 30% of excess Pb for PZT10, PZT15, PZT20 and PZT30, respectively). Pb excess compensates the lead evaporation during calcination.An increase of Pb excess from 10 to 20% leads to an increase of the maximum dielectric constant of 8.8%, a decrease of the loss tangent from 4.36 to 3.08% and breakdown field from 1.68 to 1.26MV/cm. PMA favors the enhancement of the maximum of dielectric constant by 7.5%, and the breakdown field increases to 0.5 MV/cm.The influence of the surface chemistry is studied as a function of Pb precursor excess. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) demonstrates that low level of Pb excess leads to the presence of a ZrOx surface phase in the form of nanostructures. Higher Pb precursor content allows the PZT synthesis to proceed to its end-point, fully consuming the ZrO2 precursor and eliminating the low dielectric constant ZrOx surface phase.We have then studied the Pt/Ru/PZT interface as a function of Pb excess and PMA. Transmission Electron Microscopy (TEM) cross-sectional analysis shows that the crystalline ZrOx nanostructures are still present at the electrode interface, constituting a dielectric layer which contributes to defining capacitor performance. Operando (under bias in situ) hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) analysis using synchrotron radiation highlights an electronic response dependent on the applied polarization, most probably due to imperfect screening of the depolarizing field at the Pt/Ru/PZT10 interface. Furthermore, a new phase (PbOx) is observed at the Pt/Ru/PZT30 due to the high Pb excess. This new phase seems to induce a reduction in breakdown field and capacitance density. Finally, PMA on the Pt/Ru/PZT10 suggests the creation of interface ZrRuOx and PbRuOx which could be at the origin of the improvement of electrical responses of PZT capacitors after PMA.In conclusion, this thesis has provided valuable information and methodology on the correlation between surface and interface physical chemistry of PZT and Pt/Ru/PZT and electric characteristics of PZT based MIM capacitors.

l'insertion des énergies non polluantes ou vertes font que les réseaux électriques doivent être prêts à accueillir et intégrer des nouvelles productions d'énergie, quelques fois intermittentes. Le renforcement du réseau en terme de construction de nouvelles lignes et liaisons internationales n'est pas forcement suffisant pour conduire à un système plus robuste et flexible. Une méthodologie et une définition de la robustesse sont proposées afin de garantir la robustesse du système et de limiter les effets néfastes de l'insertion de production décentralisée pour le système global en cas de pannes généralisées. Ces pannes électriques pourraient être limitées par des îlotages intentionnels au niveau de la distribution. Une étude de sa faisabilité est donnée. Dans ce sens, l'intelligence distribuée semble nécessaire pour permettre ces types de fonctionnements « in extremis ». Des nouveaux composant NTICs sont proposés afin d'allouer les futures stratégies de localisation des défauts et îlotages intentionnels. Une maquette pour le test des réseaux IP est aussi présentée.