Depuis la découverte des nanotubes de carbone en 1991 par Sumio Iijima et de leurs fascinantes caractéristiques électriques et mécaniques, de nombreuses études ont visé leurs utilisations dans toutes sortes d'applications et notamment en électronique. Ainsi, nous avons proposé d'axer nos travaux de recherche vers l'utilisation de nanotubes de carbone, de part leurs propriétés mécaniques et électriques exceptionnelles, pour la réalisation de fonctions électromécaniques pour des applications hyperfréquences (RF-NEMS). Une première partie de nos travaux a ainsi été dédiée à l'étude des propriétés des nanotubes de carbone et des architectures de composants pouvant potentiellement conduire à des composants RF-NEMS aux performances et fonctionnalités augmentées. La seconde partie de nos travaux a ainsi porté sur le développement de méthodes de modélisation et de protocoles de conception spécifiquement adaptés aux échelles et aux caractères multi physiques des composants. Un logiciel développé nous a ainsi permis de concevoir et de prédire les performances d'une capacité variable à base de nanotubes de carbone, dont nous avons démontré la viabilité contournant ainsi la forte résistance présenté par un nanotube unitaire, verrou actuel de cette technologie. Enfin, nous avons proposé les architectures de fonctions hyperfréquences plus complexes telle qu'un déphaseur accordable dont les performances, prédites par les outils que nous avons mis en place, démontrant l'attrait des nanotubes de carbone pour la réalisation de fonctions d'accord évoluées et performantes, avec un fort potentiel attendu au niveau de temps de réaction (se situant dans le domaine de la nanoseconde).

La simulation numérique du fonctionnement des dispositifs électromécaniques doit prendre en compte simultanément les aspects magnétiques, électriques et mécaniques en présence. En effet, les convertisseurs étudiés sont généralement reliés à un circuit d'alimentation électrique et possèdent des pièces magnétiques et conductrices en mouvement. Les modélisations proposées sont basées sur la méthode des éléments finis qui permet une discrétisation des équations des phénomènes physiques à traiter. Une formulation du problème des courants induits avec mouvement est présentée, ainsi que les couplages nécessaires avec les équations électriques et cinématiques. L'essentiel des travaux porte sur les techniques de prise en compte du mouvement dans un tel contexte. Deux méthodes sont alors proposées et comparées : le couplage des éléments finis avec des équations intégrales de frontières d'une part, et des procédures de remaillage automatique d'autre part. Une approche originale de maillage à l'aide de boules est présentée. Les développements réalisés sont appliqués pour l'étude 2D de dispositifs électromécaniques industriels. Les modélisations permettent d'étudier l'influence de phénomènes tels que les courants induits ou les saturations magnétiques sur leur fonctionnement.

La croissance formidable des dispositifs sans fils et autonomes (réseaux de capteurs, objets connectés…) voit actuellement son développement limité par les batteries qui présente une durée de vie limitée et ainsi soulève des problèmes de maintenance. Afin de palier à cette limitation, l’utilisation de l’énergie directement disponible dans l’environnement immédiat du dispositif, conduisant au concept de « récupération d’énergie », est une voie fortement explorée depuis une dizaine d’années. Ainsi, l’objectif de cette thèse a été de développer de nouvelles techniques et/ou d’utiliser de nouveaux principes de conversion afin de proposer des alternatives aux techniques de récupération d’énergie classiques. Dans un premier temps, l’optimisation de récupérateurs électrostatiques a été étudiée. Les performances de ces systèmes étant fortement liées à la variation de capacité, une structure fractale, permettant un accroissement important des surfaces en regard entre deux électrodes (et donc de la capacité) lorsque ces dernières sont proches, a été proposée et modélisée. Il est ainsi montrer un accroissement significatif des possibilités de récupération d’énergie ; ces dernières étant étroitement liées à l’amplitude de vibration du système. Le second axe de recherche de cette thèse s’est attelé à développer un modèle haut niveau simple mais précis pour les structure utilisant des polymères électrostrictifs fonctionnant en flexion. Une analyse énergétique a permis de mettre en place un modèle électromécanique masse-ressort-amortisseur couplé avec une source de courant contrôlée par les excitations mécaniques et électriques du système, permettant ainsi une conception plus aisée du microgénérateur. Enfin, la dernière partie de cette thèse s’est intéressée à la conversion d’énergie thermique utilisant la variation de perméabilité des matériaux ferromagnétiques, ouvrant de nouvelles possibilités de conversion de l’énergie. En particulier, une technique simple et autonome consiste à créer un champ magnétique de polarisation à l’aide d’un aimant, permettant une variation du flux magnétique lors d’un changement de température, qui peut être converti sous forme électrique à l’aide d’un bobinage. / This thesis has been devoted to electrostatic mechanical energy harvesting based on capacitors inspired by fractal geometry, to mechanical energy harvesting based on beams with electrostrictive polymers, and to thermal energy harvesting based on ferromagnetic materials. For electrostatic energy harvesting without electrets, interdigitated capacitors are usually applied as in-plane overlap varying and in-plane gap closing electrostatic generators. In consideration of the limit of aspect ratio for fingers in the capacitor, we would like to improve the capacitor configuration by taking advantage of self-similarity patterns. The concept is to gradually add fingers of smaller widths between original ones to form a mountain-shape capacitor. According to the different width ranges of capacitors, they are classified as of different orders whose performances vary with the vibration amplitude. Harvested energy over one cycle for capacitors of order 1, 2 and 3 has been demonstrated by theoretical and FEM results. In application, the order of capacitor needs to be properly chosen to maximize the harvested energy. Electrostrictive polymer (polyurethane) has been utilized along with a beam to perform mechanical energy harvesting. Two models have been analyzed: clamped-free beam with a polymer film attached at the clamped end, clamped-free bimorph beam. The simple model for electrostrictive devices under flexural solicitation is set up on the base of analysis of energy conversion and it shows that the electrostrictive system can be reduced to a simple spring-mass-damper system with a quadratic dependence with the applied voltage on the mechanical side and to a current source controlled by the applied voltage with a capacitive internal impedance on the electrical side. Experiments based on the clamped-free beam with a polymer film attached to the clamped end have been carried out to evaluate the mechanical to electrical conversion. The thermal energy generator is based on a ferromagnetic material, a magnet and a coil. As the magnetic permeability of ferromagnetic materials encounters drastic variation around the Curie temperature, the concept of the generator is to take advantage of the permeability variation caused by temperature decrease to generate sharp variation in magnetic flux which induces a current in the coil. According to theoretical results, the generated current is closely related to the temperature variation and the variation velocity. Experiments have been carried out on Ni30Fe of which the Curie temperature is 55 ºC. When the temperature decreases from 20.5 ºC to -42.4 ºC, the maximum power is about 4×10^(-7)W with the load to be 2 Ω.

Ce travail de thèse a pour objectif la caractérisation des propriétés physico-chimiques descéramiques de composition (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-x Ba0.7Ca0.3TiO3 préparées par frittage conventionnelet frittage flash (SPS). Les études structurales réalisées au voisinage du point triple (x≈ 0.32) à l'aidede la diffraction des RX de haute résolution (synchrotron) sur poudre ont introduit des modificationsmajeures sur le diagramme de phase température-composition déjà proposé. La réponseélectromécanique géante mesurée est alors corrélée à la dégénérescence du profil de l'énergie libreinduite par les instabilités structurales. De plus, la flexibilité de la polarisation sous contraintesthermique et électrique est couplée à un assouplissement de la maille cristalline. Ces deuxcaractéristiques contribuent ensemble à une réponse électromécanique colossale via une forteactivité des murs de domaine. La dégradation des propriétés diélectriques, ferroélectriques etpiézoélectriques pour les céramiques BCTZ (x=0.32 et 0.5) élaborées par frittage flash estessentiellement attribuée aux fluctuations importantes de composition et à la stabilisation de laconfiguration des murs de domaines avec la diminution de la taille des grains.

Les polymères électroactifs (PAE), sont des matériaux permettant de réaliser une conversion entre l'énergie électrique et mécanique. L'objet de ce travail est de proposer des procédés de modifications des terpolymères électrostrictifs par voies composites basés sur différentes approches dans le but d’améliorer les performances électromécaniques et de développer des applications à partir de ces matériaux modifiés. Dans un premier temps, un nano-composite à base de terpolymère et de noir de carbone a été préparé pour améliorer la permittivité diélectrique. Dans un deuxième temps, sur la base de la nature hétérogène de terpolymère semi-cristallin ainsi que du rôle important que la polarisation interfaciale joue sur la réponse diélectrique et électromécanique, une faible quantité d’agent plastifiant (bis (2-ethylhexyl) phalate (DEHP)) a été introduite dans le terpolymère électrostrictif afin de former un composite tout organique permettant l'amélioration des performances électromécaniques. Enfin, l’utilisation de ces matériaux modifiés dans deux applications spécifiques a été étudiée: La récupération de l'énergie mécanique et une pompe microfluidique sans valve. / Electroactive polymers (EAPs), which can realize the conversion between electrical and mechanical energy, have been emerging as one of the most interesting smart materials in the past two decades due to their low density, excellent mechanical properties, ease of processing, low price and potential applications in the fields of sensors, actuators, generators, biomimetic robots and so on. The object of this work is to modify electrostrictive terpolymers with different approaches to improve the electromechanical performances and to develop some applications based on modified terpolymers. Firstly, an organic/inorganic (terpolymer/carbon black) nanocomposite was prepared to improve the dielectric permittivity based on the percolation theory. Secondly, based on the heterogeneous nature of semi-crystalline terpolymer and the important role that interface polarization plays for dielectric and electromechanical response, small molecular plasticizer bis(2-ethylhexyl) phalate (DEHP) was introduced into electrostrictive terpolymer to form an all-organic polymer composite with improved electromechanical performances. Finally, two applications including mechanical energy harvesting and microfluidic pump based on DEHP modified terpolymers were investigated.

Ce travail de thèse a pour objectif la caractérisation des propriétés physico-chimiques descéramiques de composition (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-x Ba0.7Ca0.3TiO3 préparées par frittage conventionnelet frittage flash (SPS). Les études structurales réalisées au voisinage du point triple (x≈ 0.32) à l’aidede la diffraction des RX de haute résolution (synchrotron) sur poudre ont introduit des modificationsmajeures sur le diagramme de phase température-composition déjà proposé. La réponseélectromécanique géante mesurée est alors corrélée à la dégénérescence du profil de l’énergie libreinduite par les instabilités structurales. De plus, la flexibilité de la polarisation sous contraintesthermique et électrique est couplée à un assouplissement de la maille cristalline. Ces deuxcaractéristiques contribuent ensemble à une réponse électromécanique colossale via une forteactivité des murs de domaine. La dégradation des propriétés diélectriques, ferroélectriques etpiézoélectriques pour les céramiques BCTZ (x=0.32 et 0.5) élaborées par frittage flash estessentiellement attribuée aux fluctuations importantes de composition et à la stabilisation de laconfiguration des murs de domaines avec la diminution de la taille des grains. / The aim of this work is to make a full characterization of the structural, microstructural, dielectric,ferroelectric and piezoelectric properties of the perovskite-structured oxides (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-xBa0.7Ca0.3TiO3 prepared by a conventional solid-state reaction method (conventional sintering) andSPS fabrication technique. Using high-resolution synchrotron x-ray powder diffraction, the structuralinvestigations carried out close to the triple point (x≈ 0.32) have introduced significant corrections tothe previously published composition-temperature phase diagram. The colossal electromechanicalresponse was then correlated to a strongly degenerate free energy landscape caused by structuralinstabilities. Furthermore, the coupling between the high polarization flexibility under electric andthermal stresses and the ‘lattice softening’ gives rise to a giant electromechanical response due tohigh domain wall activities. The decrease of the dielectric, ferroelectric and piezoelectric propertiesof BCTZ ceramics (x=0.32 and 0.5) processed by SPS was essentially attributed to the largecompositional fluctuations and stable domain wall configurations as the grain size decreased.

Les technologies de filtres, résonateurs, oscillateurs et capteurs sont des éléments essentiels dans lesindustries des télécommunications, automobile, militaire, médical, etc. Les monocristaux de LiTaO3 (LT) etLiNbO3 (LN) sont les matériaux les plus utilisés pour la fabrication de filtres de radiofréquence à ondesélastiques des téléphones portables, car ils possèdent un facteur de couplage électromécanique (K2) élevé.Cependant, ils présentent une problématique liée à la variation de la fréquence de fonctionnement avec latempérature (CTF), dont la valeur est environ de -40 à -95 ppm/°C. D’autre part, il a été démontré dans lalittérature que les propriétés de LT et LN changent avec la non-stoechiométrie du Li.L’objectif de cette thèse a été l’étude de l’effet de la concentration en Li2O sur la performance desdispositifs acoustiques à ondes élastiques de surface, utilisant comme substrat piézoélectrique desmonocristaux de LT coupe YXl/42 (42 RY-LT) et LN coupe YXl/128 (128 RY-LT). Cette étude vise àl’amélioration du CTF sans la dégradation d’autres propriétés (K2 et pertes d’insertion) dans le cas du 42 RYLTet la stabilité de dispositifs utilisés à haute densité de puissance dans le cas du 128 RY-LN. Tout d’abord,nous avons préparé des monocristaux de LT et LN avec différente concentration en Li2O :48.5-50 mol%, enutilisant la méthode d’équilibration par transport en phase vapeur (VTE). Ensuite, nous avons fabriqué etcaractérisé des dispositifs à ondes élastiques de volume et de surface à base de LT et LN, traités par VTE, afind’étudier l’effet de la non-stoechiométrie de Li et l’effet des domaines ferroélectriques sur leur performance. / The filter technologies, resonators, oscillators and sensors are essential elements fortelecommunications, automotive, military, medical industries. The most of radio frequency surface acousticwave (RF-SAW) filters, present in mobile phones, are based in LiNbO3 (LN) and LiTaO3 (LT) single crystalsbecause they have high electromechanical coupling factor (K2). However, these materials have a problemrelated to the variation of the operating frequency with temperature (TCF), whose value is about -40 to -95ppm / ° C. On the other hand, it has been previously shown in the literature that the physical and structuralproperties of LT and LN change with Li non-stoichiometry, including elastic properties.The aim of this work was the investigation of the impact of Li2O concentration on the performance ofSAW devices based on YXl/42 (42 RY-LT) and YXl/128 (128 RY-LN) single crystals. In the case of 42 RY-LT,we focused in the reduction of TCF without the degradation of other properties (K2 and insertion losses) andin the case of 128 RY-LN crystals we focused in the stability of devices at high power densities. First, singlecrystals of LT and LN with different Li2O concentration: 48.5-50 ml% were prepared, by using the VaporTransport Equilibration (VTE) method. Afterwards, SAW and bulk acoustic wave (BAW) devices based on LTand LN VTE treated crystals, were fabricated and characterized, in order to study the effect of Li nonstoichiometryand the effect of ferroelectric domains on the performance of devices.