Résumé : L’isolation thermique est essentielle dans de nombreux types de MEMS (micro-systèmes électro-mécaniques). Elle permet de réduire la consommation d’énergie, améliorer leurs performances, ou encore isoler la zone chaude du reste du dispositif, ce qui est essentiel dans les systèmes sur puce. Il existe quelques matériaux et techniques d’isolation pour les MEMS, mais ils sont limités. En effet, soit ils ne proposent pas un niveau d’isolation suffisant, sont trop fragiles, ou imposent des contraintes trop importantes sur la conception du dispositif et sont difficiles à intégrer. Une approche intéressante pour l’isolation, démontrée dans la littérature, est de fabriquer des pores de taille nanométrique dans le silicium par gravure électrochimique. En nanostructurant le silicium ainsi, on peut diviser sa conductivité thermique par un facteur de 100 à 1000, le transformant en isolant thermique. Cette solution est idéale pour l’intégration dans les procédés de fabrication existants des MEMS, car on garde le silicium qui est déjà utilisé pour leur fabrication, mais en le nanostructurant localement, on le rend isolant là où on en a besoin. Par contre sa porosité cause des problèmes : mauvaise résistance chimique, structure instable au-delà de 400°C, et tenue mécanique réduite. La facilité d’intégration des semiconducteurs poreux est un atout majeur, nous visons donc de réduire les désavantages de ces matériaux afin de favoriser leur intégration dans des dispositifs en silicium. Nous avons identifié deux approches pour atteindre cet objectif : i) améliorer le Si poreux ou ii) développer un nouveau matériau. La première approche consiste à amorphiser le Si poreux en l’irradiant avec des ions à haute énergie (uranium, 110 MeV). Nous avons montré que l’amorphisation, même partielle, du Si poreux entraîne une diminution de sa conductivité thermique, sans endommager sa structure poreuse. Cette technique réduit sa conductivité thermique jusqu’à un facteur de trois, et peut être combinée avec une pré-oxydation afin d’atteindre une réduction d’un facteur cinq. Donc cette méthode permet de réduire la porosité du Si poreux, et d’atténuer ainsi les problèmes de fragilité mécanique causés par la porosité élevée, tout en gardant un niveau d’isolation égal. La seconde approche est de développer un nouveau matériau. Nous avons choisi le SiC poreux : le SiC massif a des propriétés physiques supérieures à celles du Si, et donc à priori le SiC poreux devrait conserver cette supériorité. La fabrication du SiC poreux a déjà été démontrée dans la littérature, mais avec peu d’études détaillées du procédé. Sa conductivité thermique et tenue mécanique n’ont pas été caractérisées, et sa tenue en température que de façon incomplète. Nous avons mené une étude systématique de la porosification du SiC en fonction de la concentration en HF et le courant. Nous avons implémenté un banc de mesure de la conductivité thermique par la méthode « 3 oméga » et l’avons utilisé pour mesurer la conductivité thermique du SiC poreux. Nous avons montré qu’elle est environ deux ordres de grandeur plus faible que celle du SiC massif. Nous avons aussi montré que le SiC poreux est résistant à tous les produits chimiques typiquement utilisés en microfabrication sur silicium. D’après nos résultats il est stable jusqu’à au moins 1000°C et nous avons obtenu des résultats qualitatifs encourageants quant à sa tenue mécanique. Nos résultats signifient donc que le SiC poreux est compatible avec la microfabrication, et peut être intégré dans les MEMS comme isolant thermique. // Abstract : Thermal insulation is essential in several types of MEMS (micro electro-mechanical systems). It can help reduce power consumption, improve performance, and can also isolate the hot area from the rest of the device, which is essential in a system-on-chip. A few materials and techniques currently exist for thermal insulation in MEMS, but these are limited. Indeed, either they don’t have provide a sufficient level of insulation, are too fragile, or restrict design of the device and are difficult to integrate. A potentially interesting technique for thermal insulation, which has been demonstrated in the literature, is to make nanometer-scale pores in silicon by electrochemical etching. By nanostructuring silicon in this way, its thermal conductivity is reduced by a factor of 100 to 1000, transforming it into a thermal insulator. This solution is ideal for integration in existing MEMS fabrication processes, as it is based on the silicon substrates which are already used for their fabrication. By locally nanostructuring these substrates, silicon is made insulating wherever necessary. However the porosity also causes problems : poor chemical resistance, an unstable structure above 400◦C, and reduced mechanical properties. The ease of integration of porous semiconductors is a major advantage, so we aim to reduce the disadvantages of these materials in order to encourage their integration in silicon-based devices. We have pursued two approaches in order to reach this goal : i) improve porous Si, or ii) develop a new material. The first approach uses irradiation with high energy ions (100 MeV uranium) to amorphise porous Si. We have shown that amorphisation, even partial, of porous Si leads to a reduction of its thermal conductivity, without damaging its porous structure. This technique can reduce the thermal conductivity of porous Si by up to a factor of three, and can be combined with a pre-oxidation to achieve a five-fold reduction of thermal conductivity. Therefore, by using this method we can use porous Si layers with lower porosity, thus reducing the problems caused by the fragility of high-porosity layers, whilst keeping an equal level of thermal insulation. The second approach is to develop a new material. We have chosen porous SiC: bulk SiC has exceptional physical properties and is superior to bulk Si, so porous SiC should be superior to porous Si. Fabrication of porous SiC has been demonstrated in the literature, but detailed studies of the process are lacking. Its thermal conductivity and mechanical properties have never been measured and its high-temperature behaviour has only been partially characterised. We have carried out a systematic study of the effects of HF concentration and current on the porosification process. We have implemented a thermal conductivity measurement setup using the “3 omega” method and used it to measure the thermal conductivity of porous SiC. We have shown that it is about two orders of magnitude lower than that of bulk SiC. We have also shown that porous SiC is chemically inert in the most commonly used solutions for microfabrication. Our results show that porous SiC is stable up to at least 1000◦C and we have obtained encouraging qualitative results regarding its mechanical properties. This means that porous SiC is compatible with microfabrication processes, and can be integrated in MEMS as a thermal insulation material.

Le sujet de cette thèse est l'analyse du second champ critique supraconducteur (Hc2) ainsi que l'interaction entre la supraconductivité et les points critiques quantiques (PCQ), pour les composés CeCoIn5, URhGe et UCoGe. Dans le composé CeCoIn5, l'étude par résistivité du domaine de liquide de Fermi a permis la localisation précise du PCQ a pression ambiante. Cette analyse permet d'invalider l'hypothèse d'une coïncidence entre Hc2(0) et le PCQ. Dans une deuxième partie, l'évolution sous pression de Hc2 est analysée. Le dôme supraconducteur de ce composé est non-conventionnel avec deux pressions caractéristiques différentes: à ~1.6GPa, la température de transition supraconductrice est maximum alors que c'est à ~0.4GPa que la plupart des grandeurs physiques (maximum de Hc2(0), maximum de la pente dHc2/dT, maximum du saut de chaleur spécifique DC/C, ...) suggèrent la présence d'un PCQ. Nous expliquons cet antagonisme par l'importance des processus de brisure de pairs liés a la proximité du PCQ. Ces deux observations nous permettent de proposer un nouveau diagramme de phase pour CeCoIn5. Dans une troisième partie, les mesures de conduction thermique sur les composés URhGe et UCoGe sont présentées. Elles nous permettent dans un premier temps d'obtenir la transition "bulk" supraconductrice et de confirmer la forme in-habituelle de Hc2 observée en résistivité. La dépendance en températures et en champs de la conduction thermique nous permet d'identifier une contribution non-électronique au transport de chaleur jusqu'aux plus basses températures. D'autre part, nous identifions deux différents domaines supraconducteurs a bas et hauts champs appliqués selon l'axe b. Ces deux domaines sont compatibles avec un modèle de supraconductivité multigaps. Suivant ces observations et des mesures de pouvoir thermoélectrique, nous proposons un modèle de transition de Lifshitz pour ces deux composés.

Lors de leur exploitation et de leur transport, les fluides pétroliers subissent de fortes variations de température et de pression susceptibles d'entraîner la formation de dépôts solides. Pour bien comprendre leur comportement, il est indispensable de disposer de données expérimentales fiables permettant de décrire correctement leur diagramme de phase afin d'élaborer des modèles thermodynamiques prédictifs. Au cours de ce travail, un microscope haute pression a été développé pour combler les insuffisances des techniques existantes dans le domaine des équilibres de phase liquide – solide ; il permet de mesurer la température de fusion finissante de divers types de systèmes dans la gamme 0,1 – 100 MPa pour des températures comprises entre 243 et 373 K. Dans un premier temps, ce dispositif a été mis à contribution pour étudier la variation de la température de fusion de corps purs rencontrés au sein des fluides pétroliers (alcanes linéaires, alkylcyclohexanes et alkylbenzènes) en fonction de la pression et du nombre d'atomes de carbone. Cette étude a révélé une dépendance entre la pente des courbes de liquidus dans un diagramme (T, P) et la structure cristalline du solide considéré. Dans un deuxième temps, les températures de fusion finissante de plusieurs mélanges synthétiques ont été étudiées en fonction de la pression. Une modélisation des résultats a été proposée pour chaque système en tenant compte de l'influence de la structure cristalline sur la pente des courbes de liquidus. Enfin, le dispositif de microscopie sous haute pression a permis l'étude de fluides de gisement et une discussion sur la taille des cristaux qui apparaissent dans de tels systèmes est proposée.

Sur le site minier de Milluni (Bolivie, Altiplano, 4800 m asl), la contamination des eaux de surface et des sédiments par les métaux lourds a été étudiée en combinant des approches géochimiques, minéralogiques et hydrochimiques. Pour les différents métaux, les sources minérales de la contamination ont été établies, ainsi que les processus géochimiques d'altération des minéraux primaires en minéraux tertiaires. La compréhension des mécanismes géochimiques en jeu et les bilans réalisés ont permis de déterminer les origines et les modes de transport et de contrôle des métaux dans cet environnement. Enfin, les carottages des sédiments lacustres et des tourbières ont permis d'évaluer l'évolution historique de la contamination en métaux lourds, notamment au cours du siècle dernier.

Les particules en suspension émises par l'industrie sidérurgique sont des polluants atmosphériques importants, particulièrement à cause des substances toxiques qu'elles peuvent véhiculer. Parmi elles, Cd, Pb et Zn sont particulièrement considérés dans le domaine de la surveillance de la qualité de l'air. La spéciation d'un élément, plus que sa concentration, gouverne ses propriétés toxicologiques et son devenir dans l'environnement. Aussi dans un premier temps, nous nous sommes attachés à caractériser les poussières d'émetteurs de poussières sidérurgiques (atelier d'agglomération, convertisseur à oxygène) et à déterminer la spéciation du Cd, Zn et Pb. Dans un second temps, une étude préliminaire des effets des poussières sur les systèmes vivants a été effectuée. Ce travail a permis d'identifier les espèces porteuses de ces métaux dans les poussières sidérurgiques et d'évaluer l'effet des poussières issues de l'atelier d'agglomération sur des systèmes vivants.

Ce travail concerne l'ingénierie de nouveaux systèmes supramoléculaires à base de ligands phosphorés fluorescents en vue de la réalisation des nouveaux matériaux optiques et de la détection de métaux lourds. Deux nouvelles séries de chromophores de type donneur-accepteur contenant des motifs phénylacétylène et une fonction oxyde ou sulfure de phosphine ont été synthétisées en utilisant le couplage de Sonogashira comme étape clé. Elles possèdent des rendements quantiques de fluorescence élevés ainsi qu'un transfert de charge efficace à l'état excité. Les oxydes de phosphine fluorescents présentent également des propriétés intéressantes en absorption à deux photons et en optique non linéaire. Nous avons également synthétisé des nouveaux ligands bidentes de type oxyde ou sulfure de phosphine pour la détection de métaux lourds polluants. Les chélates d'oxydes de phosphine complexent efficacement le plomb et le cadmium dans un mélange CH3CN/CHCl3. Ils offrent également la possibilité de la détection par fluorescence par absorption à deux photons. Les chélates de sulfures de phosphine présentent de très bonne sensibilité et sélectivité pour le mercure dans un milieu partiellement aqueux. D'autre part, les chélates d'oxydes de phosphine permettent une bonne sensibilisation des ions lanthanides par un transfert d'énergie du ligand vers le métal complexé. Une étude complète du transfert d'énergie de l'un des ligands vers l'ion europium a été réalisée.

Dans un contexte où la demande énergétique ne cesse de croître et où les réserves pétrolières sont limitées, il est nécessaire de développer des sources énergétiques alternatives ainsi que de ransformer celles existantes afin de satisfaire les besoins croissants notamment dans les secteurs du transport et de la pétrochimie. Un des objectifs de l’IFP est de concevoir et d’améliorer des procédés de raffinages existants afin d’optimiser l’utilisation des ressources conventionnelles tout en les diversifiant afin de produire notamment du carburant à partir des produits lourds du pétrole. L'enjeu des prochaines décennies est de convertir efficacement des bruts lourds en produits légers valorisables tels que l'essence, le kérosène et le gazole. Pour cela, il est indispensable de disposer d'une connaissance précise des produits présents dans la charge, principalement des asphaltènes, afin d'adapter le catalyseur utilisé et obtenir les meilleurs résultats de conversion possibles. L’objectif de la thèse visait à obtenir une meilleure caractérisation physico-chimique des asphaltènes en solution. Le manuscrit décrit une nouvelle application de la technique RMN DOSY (Diffusion Ordered Spectroscopy) à la caractérisation des produits lourds du pétrole. Des asphaltenes de cinq origines différentes ont été analysées sur une large gamme de concentration afin d’étudier leur agrégation en solution. Les résultats révèlent l’existence de deux familles d’agrégats en régime semidilué : une famille diffusant rapidement appelée nanoagrégats et un type d’agrégats diffusant plus lentement nommée macroagrégats dans ce manuscrit. L’influence du solvant a été étudiée sur une charge analysée dans le toluène, le tetra-hydrofurane et le chloroforme. Des informations physiques moyennes sur la taille et la masse moléculaire des nanoagrégats des asphaltènes ont été calculées à partir de leur diffusion en solution. Il a ainsi été possible de mettre en évidence des familles de produits caractérisées par une structure et une masse moléculaire en une seule expérience. Le manuscrit propose également une discussion sur le caractère continental ou/et archipel des asphaltènes. L’hypothèse de départ est basée sur la co-existence des deux types d’asphaltènes avec un caractère archipel (ou continental) plus ou moins marqué suivant l’origine des échantillons / New energy supplies need to be developed to face the growing worldwide energy demand. Heavy oils have attracted attention since their represent an important energy reserve. The problem to deal with during their upgrading is the presence of asphaltenes, representing the heaviest and the most resistant fraction of the crude oil. It is worth getting a better understanding into the physico-chemistry of asphaltenes to develop new catalysts and new conversion processes. The manuscript describes a new application of Diffusion Ordered Spectroscopy (1H-DOSY) NMR experiment. It is evaluated as a potential tool to investigate the physico-chemistry of asphaltenes from five different origins in just one experiment. Asphaltenes were studied over a wide range of concentrations in different solvents to get a deeper insight into their aggregation behaviour. For the first time, two different aggregates were observed in the semi-dilute regime and reported in this manuscript. Average size and molecular weight are estimated from diffusion measurements at infinite dilution. Based on different results, a discussion about continental and archipelago type is also provided. Asphaltenes are expected to be a distribution of the two types of asphaltenes with a more pronounced archipelago (or continental) type depending on the origin of the sample

Une première partie de ce mémoire portera sur l’analyse des états fondamentaux ma- gnétiques de deux composés isolants et magnétiquement frustrés SrDy2O4 et SrHo2O4. Une étude de la chaleur spécifique à basse température sous l’effet de champs magné- tiques de ces échantillons a été menée afin de détecter la présence de transitions de phases. L’utilisation d’un composé isotructurel non magnétique, le SrLu2O4, a permis l’isolement de la composante magnétique à la chaleur spécifique. Les comportements observés sont non conformes avec les transitions magnétiques conventionnelles. De plus, le calcul de l’entropie magnétique ne montre qu’un recouvrement partiel de l’entropie associée à un système d’ions magnétiques. En second lieu, une analyse des oscillations quantiques de Haas-van Alphen a été effectuée dans le LuCoIn5, composé apparenté au supraconducteur à fermions lourds CeCoIn5. Les résultats obtenus montrent une topologie de la surface de Fermi très différente comparativement aux CeCoIn5 et LaCoIn5, ayant un comportement beaucoup plus tridimensionnel sans les cylindres caractéristiques présents chez les autres membres de cette famille. Finalement, le montage d’un système de détection PIXE a permis l’analyse nucléaire d’échantillons afin de déterminer la concentration de chacun des éléments les constituant. L’analyse a été effectuée sur une série d’échantillons YbxCe1−xCoIn5 dont le changement de concentration a des effets importants sur les propriétés du système. / The first part of this thesis consist of the analysis the magnetic ground states of two magnetically frustrated insulator compounds SrDy2O4 and SrHo2O4. A study of the low temperature specific heat in magnetic fields has been carried on in order to detect phase transitions. The magnetic contribution to the specific heat has been determined using the isostructural but non magnetic compound SrLu2O4. The observed behaviour does not conform with conventional magnetic phase transitions. Also, the calculated magnetic entropy shows only a partial recovery of the entropy normally associated with magnetic ions in the systems. In the second study, I measured and analyzed de Haas-van Alphen quantum oscil- lations in LuCoIn5, a compound related to the heavy fermion superconductor CeCoIn5. The obtained results show a Fermi surface topology greatly differing from the CeCoIn5 and LaCoIn5, having a much more tridimensional behaviour, compared to the characteristics cylinder exhibited by the other members of this family. In the last part of my thesis, I’m am describing the set up of a PIXE detection system used for the nuclear analysis of thick samples in order to calculate the concentra- tion of each element present. The analysis has been carried on a series of samples of YbxCe1−xCoIn5, where the variation of concentration has major repercussions on the electronic and magnetic properties of the system.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Ce mémoire de maîtrise a pour objet une recherche de leptons lourds de quatrième génération avec les données prises par le détecteur ATLAS au LHC dans les collisions pp à $\sqrt{s}$ = 7 TeV et avec une luminosité intégrée de 1.02 fb$^{-1}$. Le processus étudié est la production au singulet de leptons lourds neutres de quatrième génération (N) par la voie du courant chargé suivi de la désintégration du celui-ci en un électron et un boson W : $ pp \to W \to N e \to e W e \to e e \nu_{\ell} \ell $ ($\ell$ = $e$ ou $\mu$), et dépend d'un paramètre de mélange $\xi^{2}$ avec un lepton léger. L'analyse passe par plusieurs étapes, soit l'utilisation de FeynRules pour construire le modèle pour ensuite générer des événements par MadGraph 5.1.2.4. Comme hypothèse de référence, on a choisi une masse de 100 GeV pour le lepton lourd neutre et $\xi_{Ne}^2$ = 0.19, donnant une section efficace de 0.312 pb pour une énergie au centre de masse de 7 TeV. Puisque la génération du signal s'est faite de manière privée à Montréal et non par la collaboration ATLAS, les résultats ne peuvent pas être reconnus officiellement. Sur la base de la simulation, avec des données correspondant à 1 fb$^{-1}$, la limite supérieure attendue à un niveau de confiance de $95\%$ sur la section efficace du signal est de 0.145 pb avec 0.294 pb pour un écart type($\sigma$) et 0.519 pb pour 2$\sigma$. La limite supérieure attendue à un niveau de confiance de $95\%$ sur $\xi_{Ne}^{2}$ de 0.09 pour une masse de 100 GeV. / This M.Sc. thesis describes a search for fourth generation heavy leptons using data from the ATLAS detector at LHC. The total integrated luminosity is 1.02 fb$^{-1}$ in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 7 TeV. This analysis study the single production of fourth generation neutral heavy lepton (N) via the charged channel and where W decays leptonically : $ pp \to W \to N e \to e W e \to e e \nu_{\ell} \ell $ ($\ell$ = $e$ ou $\mu$), which depends on the mixing element between the heavy lepton and the light lepton. The model of fourth generation leptons is constructed using FeynRules while the production of events is done by MadGraph 5.1.2.4. As point of reference, we chose a mass of 100 GeV for the fourth generation neutral heavy lepton (N) with $\xi_{Ne}^{2} = 0.19$, which produce a cross section of 0.312 pb. The generation of the signal was done privately in Montreal and not by the ATLAS collaboration. Therefore the results cannot be considered official. With the simulation, the expected superior limit at $95\%$ C.L. on the cross section is 0.145 pb with 0.294 pb for $\sigma$ and 0.519 pb for 2$\sigma$. The expected superior limit at $95\%$ C.L. on $\xi_{Ne}^{2}$ is 0.09.