Dans cette thèse nous évaluons la concentration optique sur cellules photovoltaïques micrométriques et nanométriques sans système de suivi de Soleil. Cette étude a deux objectifs principaux. La première partie est dédiée à l’évaluation de la faisabilité de la concentration optique sur des microcellules à base de Cu(In,Ga)Se2 via un concentrateur luminescent (LSC). Le LSC est bas-coût, concentre la lumière directe et diffuse, et est non imageant, ce qui très avantageux pour la concentration sur microcellules. Néanmoins, la sensibilité extrême aux non-idéalités explique la différence entre les performances théoriques et expérimentales. Un code de simulation est développé pour analyser ce système et ses mécanismes de perte. Un nouveau formalisme basé sur des données statistiques est proposé pour décrire les propriétés du LSC. Le couplage LSC/microcellules est effectué expérimentalement et des pistes d’amélioration explorées. La seconde partie tire profit de la fonction de conversion spectrale des LSC et développe un nouveau concept de nano-antenne photovoltaïque mono-résonant à base d’InP. Des simulations optiques montrent qu’un rendement de conversion de 10.7% peut être atteint avec une épaisseur moyenne d’absorbeur de moins de 20 nm. Les étapes technologiques de fabrication sont identifiées et réalisées en salle blanche. Le fort ratio surface/volume nous a amené à étudier la passivation de l’InP par du polyphosphazène. Des mesures de luminescence montrent que la surface est stabilisée durablement. Les résultats de cette thèse démontrent que le couplage nano-photonique / LSC est prometteur, alliant de très faibles volumes à d’excellentes efficacités optiques. / In this thesis we explore light concentration on nano and micro photovoltaic cells without Sun tracking. This study has two main aims. The first part is dedicated to the evaluation of light concentration feasibility on Cu(In,Ga)Se2-based microcells with luminescent solar concentrator (LSC). LSC is cheap, allows both direct and diffuse light concentration and is non imaging, making it advantageous for microcells concentration. Yet, the extremely high sensitivity to non ideality explains the gap between theoretical and real systems. A simulation code is developed to analyze the system and its loss mechanisms. A new formalism based on statistical data is proposed to describe LSC properties. LSC and microcells coupling is experimentally achieved and improving tracks investigated. The second part takes advantage of the LSC down-shifting effect to propose a new mono-resonant InP-based photovoltaic nano-antenna. Optical modeling on this new device shows that 10.7 % efficiency can be obtained with an absorber averaged thickness lower than 20 nm. Technological process steps to fabricate this device are identified and realized in a clean-room environment. The high ratio surface over volume leads us to study InP passivation through a mono-atomic polyphosphazen film. Luminescent measurements show that passivated InP surface is long-term stabilized. The results of this thesis demonstrate that nano-photonic / LSC coupling is promising, enabling high optical efficiency in extremely low volume.

La combinaison du phénomène physique de piégeage cohérent de population (CPT), les techniques de micro-fabrication et les diodes laser à semi-conducteur permet le développement de micro-horloges atomiques présentant une stabilité relative de fréquence journalière 2 ordres de grandeur meilleure que celle des oscillateurs à quartz massivement utilisés pour un volume et une puissance de consommation similaires. Ces micro-horloges atomiques reposent sur l’interaction entre un module physique et une carte électronique pilotant l’horloge.Ce travail de thèse, co-encadré par le laboratoire FEMTO-ST et l’industriel Tronics Microsystems, soutenue activement par la DGA dans le cadre des projets DGA HABAC puis DGA EDAM, a eu pour but la conception, simulation thermique et magnétique, réalisation et caractérisation métrologique en horloge de modules physiques hautement miniaturisés, répondant aux contraintes et spécifications d’une micro-horloge industrielle pour applications stratégiques. Deux concepts de modules physiques ont été proposés, la différence essentielle étant le chemin lumineux.Le module physique intègre une diode laser VCSEL (vertical-cavity surface emitting laser), des éléments optiques pour le routage et la polarisation du faisceau lumineux, une microcellule à vapeur de césium diluée par une pression de gaz tampon (développée à FEMTO-ST et transférée industriellement à Tronics Microsystems), un photodétecteur et divers capteurs/actuateurs pour stabiliser la température d’éléments-clés. L’ensemble est inséré dans un cube de dimensions extérieures 15*15*13 cm3, lui-même entouré d’un solénoide pour appliquer un champ magnétique directeur et un blindage magnétique mu-métal. La consommation de ces modules physiques en régime permanent est de l’ordre de 250 mW à température ambiante.Ces modules physiques ont été testés à l’aide d’une électronique de laboratoire non intégrée. Des performances de stabilité relative de fréquence proches de l’état de l’art mondial, de l’ordre de 2,5.10-11 à 1 s et meilleures que 2 10-11 à 105 s, ont été démontrées en environnement calme. Pour l’aboutissement des performances ultimes sur la stabilité de fréquence d’horloge moyen et long terme (temps d’intégration supérieurs à 100-1000s) ont été mises en œuvre des techniques avancées, par le biais de deux boucles d’asservissement supplémentaires, visant à réduire drastiquement les effets de déplacement lumineux, eux-mêmes largement dépendants de la température extérieure et du bloc optique. Ces études ont aussi été associées à l’étude de la stabilité de l’atmosphère interne de microcellules, potentiellement limitée par des phénomènes de perméation de gaz tampon à travers le verre de la cellule. En ce sens, des tests de « vieillissement » préliminaires, menées sur 15-21 jours, ont été menés sur plusieurs microcellules, adoptant soit des verres de type borofloat, soit des verres de type alumino-sicilicaté (ASG). Dans le cas de microcellules Cs-Ne, ce phénomène de fuite est estimé pouvoir limiter la stabilité des micro-horloges atomiques à un niveau proche de 10-11 à 1 jour. Des tests, menés sur des cellules Cs-He, démontrent une réduction significative de presque 2 ordres de grandeur de ces phénomènes de fuite avec l’utilisation de verres alumino-silicatés (ASG). / The combination of coherent population trapping (CPT) physics, microfabrication techniques and semi-conductor diode lasers has allowed the development of miniature atomic clocks exhibiting a fractional frequency stability at 1 day averaging time up to 2 orders of magnitude better than massively-used quartz-crystal oscillators for a similar volume and power consumption. These miniature atomic clocks associate a fully-miniaturized physics package and an electronics card that drives the clock.This thesis, supervised by FEMTO-ST and Tronics Microsystems and actively supported by DGA in the frame of projects DGA HABAC and DGA EDAM, targeted to the design, thermal and magnetic simulation, development and metrological characterization in clock operation of fully-miniaturized physics packages. These physics packages have to respond to constraints and specifications of an industrial miniature atomic clock for strategic applications. Two designs of physics package have been proposed, the main difference between them being the optical path.The physics package integrates a VCSEL (vertical-cavity surface emitting laser) diode laser, optical components to route and polarize the laser beam, a buffer-gas filled Cs vapor microfabricated cell (developed in FEMTO-ST and industrially transferred to Tronics Microsystems), a photodetector and several sensors/actuators to stabilize the temperature of key elements. The ensemble is inserted into a 15*15*13 mm3 « cube », surrounded by a solenoid to apply a static magnetic field and a mu-metal magnetic shielding. The power consumption of the physics package is about 250 mW in the steady-state at room temperature.Physics packages have been tested in clock operation with a non-integrated laboratory-prototype electronics support. State-of-the-art clock fractional frequency stability performances at the level of 2.5 10-11 and 2 10-11 at 1 and 105 s averaging time respectively have been demonstrated in a quiet environment. In order to demonstrate best mid-term stability performances, advanced techniques have been implemented through two additional servo loops, aiming to reduce dramatically temperature-induced light-shift effects. Studies targeting to evaluate the stability of the microcell inner atmosphere, possibly limited by gas permeation effects through the cell windows, have been also performed. In that sense, preliminary “aging” tests, performed over 15-21 days measurements, have been investigated with different microcells, adopting borofloat glass or alumino-silicate glass (ASG). In the case of Cs-Ne microcells, this phenomenon is measured and estimated to limit the clock fractional frequency stability at a level o about 10-11 at 1 day. Other tests, led with Cs-He cells, have demonstrated a significant reduction by almost 2 orders of magnitude of these leakage phenomena using ASG wafers.

Ce mémoire présente l'étude du déplacement collisionnel de la fréquence d'horloge du césium en présence du gaz tampon hélium ou xénon. L'introduction d'un gaz tampon dans les cellules à vapeur alcaline est nécessaire pour diminuer la largeur de raie de la résonance CPT par effet Dicke. Cependant, la présence de gaz tampon induit un déplacement quadratique de la fréquence d'horloge en fonction de la température de la cellule. Il est possible d'annuler la dépendance thermique du déplacement collisionnel en se plaçant à une température, dite d'inversion, déterminée par le ratio de gaz tampons introduits dans la cellule. Cette température est un point de fonctionnement de choix pour l'opération d'horloges atomiques miniatures et nécessite d'être de l'ordre de 90 voire 100 °C pour les applications à contraintes environnementales sévères. Nous avons mesuré les valeurs des coefficients de déplacement collisionnel de la fréquence d’horloge du césium en présence d’hélium et déterminé pour la première fois la valeur du coefficient quadratique en température. Concernant le xénon, les mesures des valeurs des coefficients de déplacement collisionnel sont incertaines en raison du caractère cubique non-attendu du déplacement collisionnel de la fréquence d’horloge du césium en présence de xénon. Ce comportement serait attribué à des interactions avec les molécules transitoires de van der Waals. Nous avons également établi qu'un mélange de gaz tampon néon-hélium permet d'obtenir des températures d'inversion supérieures à 80 °C. Des mesures dans des micro-cellules ont révélé des températures de l'ordre de 89 à 94 °C pour des mélanges à quelques pourcents d'hélium. / This thesis presents a study on collisional shift of cesium clock frequency in the presence of helium or xenon buffer gas. Introduction of buffer gas in alkaline vapour cells is necessary to narrow the CPT line-width by Dicke effect. Nevertheless, buffer gas induces a quadratic shift of the clock frequency versus temperature cell. Cancellation of collisional shift temperature dependence is possible at a so-called inversion temperature depending on the buffer gas ratio. This inversion temperature is great working point for micro atomic clocks. This temperature is required to be 90 or even 100 °C, especially to work in harsh environmental constraints. We measured collisional shift coefficients of cesium clock frequency in presence of helium buffer gas and we determined for the first time the value of the quadratic coefficient. About xenon buffer gas, the measurement of collisional shift coefficients is more difficult because of non-expected cubic behavior of collisional clock frequency shift which could be linked to the interaction with van der Waals molecules. We established that a neon-helium buffer gas mixture could allow an inversion temperature superior to more than 80 °C. Inversion temperatures from 89 to 94 °C are measured in cesium vapor microcells filled with a mixture containing a few percent of helium.

En raison de leurs excellentes propriétés mécaniques, couplées à une bonne résistance à la corrosion par piqûres et à un coût modéré (basse teneur en nickel et en molybdène), les aciers inoxydables austéno-ferritiques (dits aciers inoxydables duplex) sont largement utilisés dans de nombreux secteurs industriels. Les aciers inoxydables duplex ont une microstructure complexe composée à proportion équivalente d’austénite et de ferrite. L’austénite ayant une composition chimique différente de celle de la ferrite, un film hétérogène se forme à la surface des aciers inoxydable duplex. Par ailleurs, les deux phases métalliques ayant des propriétés mécaniques différentes, un champ de contraintes hétérogènes est généré dans les grains. Sous certaines conditions, l’existence de gradients de contraintes peut conduire à des hétérogénéités du film passif. Dans cette étude, l’effet d’un vieillissement de longue durée dans un milieu contenant des chlorures sur la composition chimique du film passif a été tout d’abord étudié. Le comportement en corrosion de certains alliages duplex a été ensuite déterminé à partir d’essais TCP (détermination de la température critique de piqûration). Les résultats ont été analysés en tenant compte des informations obtenues précédemment. Après vieillissement, l’épaisseur du film passif et le rapport Cr/Fe ont significativement augmenté. La distribution des chlorures dans le film passif est hétérogène. Cette distribution a été reliée à la microstructure du matériau et au champ de contraintes résiduelles. Il a été montré qu’elle influence le comportement électrochimique du matériau. Le comportement en corrosion est ensuite analysé à l’aide des courbes de polarisation locales. Des critères métallurgiques ont été proposés pour l’amorçage de piqûres. / Duplex stainless steels (DSS) are highly important engineering materials, due to their generally high corrosion resistance combined with high strength and moderate alloy cost (lower nickel and molybdenum content). They are widely used in various industrial sectors. DSS have a complex microstructure with comparable volume of austenite and ferrite. Due to differences in chemical composition between austenite and ferrite, a heterogeneous passive film is formed on both phases. In addition, due to differences in mechanical properties, a heterogeneous stress field may be generated in metallic grains. Under certain conditions, these differences may also yield formation of a heterogeneous passive film. In this work, the influence of long-term ageing in chloride-containing media by on the chemical composition of the passive film was first studied by means of XPS and Auger at the microscale. The corrosion behaviour of some duplex stainless steels was then determined from CPT tests (determination of the critical pitting temperature). Results were analysed taking into account information obtained previously. After ageing, the thickness and the ratio Cr/Fe are significantly increased. The chloride distribution in the passive film was heterogeneous. It was related to the microstructure and the residual strain field. It was shown that this distribution modifies the electrochemical behaviour of samples. The corrosion behaviour was then analysed from local polarization curves and CPT tests. Metallurgical criteria for pitting were proposed.

Les aciers inoxydables duplex (DSS) sont caractérisés par une structure biphasée comprenant un mélange de ferrite et d’austénite. La proportion entre les deux phases est d'habitude environ 50 %. Ils sont de plus en plus employés dans les industries chimiques, pétrochimiques, nucléaires, marines et de papier, principalement en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques couplées à une bonne résistance à la corrosion par piqûre (basse teneur en nickel et molybdène). L’austénite ayant une composition chimique différente de celle de la ferrite, un film hétérogène se forme à la surface des aciers inoxydable duplex. Par ailleurs, les deux phases métalliques ayant des propriétés mécaniques différentes, un champ de contrainte hétérogène est généré dans les grains. Sous certaines conditions, l’existence de gradients de contraintes peut conduire à des hétérogénéités du film passif. Dans ce travail , on étudie l’effet des éléments d’alliages sur les propriétés physico-chimiques du film passif et le comportement en corrosion par piqures avant et après vieillissement en milieu chlorurés, pour une surface de référence respectant certains critères à savoir une surface lisse exempt de tout défauts (pas de couche écrouie, rugosité faible..). Les propriétés physico- chimiques du film sont étudiés à l’aide des analyses Auger et XPS à l’échelle locale et globale. Le comportement en corrosion des alliages duplex a été ensuite déterminé à partir d’essais TCP (détermination de la température critique de piqûration). Les résultats avant vieillissement ont montré que le film passif est homogène à l’échelle macroscopique et que l’amorçage des piqûres semblent être liée à la taille des grains et à la texture cristallographique décrit par le GOS. Après vieillissement de longue durée en milieu représentatif, les analyses de surface montrent un renforcement de la passivité par un épaississement du film passif, une augmentation significative du rapport Cr/Fe ce qui ont pour effet d’améliorer le comportement en corrosion par piqures des alliages. Des critères métallurgiques ont été proposés pour expliquer l’amorçage de piqûres pour ces alliages. / Duplex stainless steels (DSS) are characterized by a two-phase structure comprising a mixture of ferrite and austenite. The proportion between the two phases is usually about 50%. They are increasingly used in the chemical, petrochemical, nuclear, marine and paper, mainly because of their excellent mechanical properties coupled with good resistance to pitting corrosion (low grade nickel and molybdenum). The austenite having a different chemical composition than the ferrite, a heterogeneous film is formed on the surface of duplex stainless steels. Furthermore, the two metallic phases having different mechanical properties, a field of heterogeneous stress is generated in the grains. Under certain conditions, these differences may also yield formation of a heterogeneous passive film. In this work, we study the effect of alloying elements on the physico-chemical properties of the passive film and behavior pitting corrosion before and after ageing in chloride media for a reference surface that meet certain criteria ie a smooth surface free from any defects (no hardened layer .. low roughness). The physicochemical properties of the film are studied using Auger and XPS analysis at the microscale. The corrosion behavior of duplex alloys was then determined from CPT tests (determination of the Critical Pitting Temperature). The results before ageing have shown that the passive film is homogeneous on a macroscopic scale and that pitting corrosion appear to be related to the grain size and crystallographic texture described by GOS. After ageing, surface analysis shows a strengthening of passivity by thickening of the passive film and the ratio Cr/Fe are significantly increased which has the effect of improving behavior pitting alloys. Metallurgical criteria for pitting were proposed.

Afin d'étudier le rôle de l'humidité dans la déformation du sel gemme, des essais utilisant la microcellule développée au Centre de Géologie de l'Ingénieur ont été conduits sur des échantillons de sel laiteux et de sel phénoblastique du Bassin Bressan ainsi que sur des échantillons de sel de dôme provenant de la mine d'Asse (Allemagne). Le principe de la méthode utilisée est de suivre visuellement, lors des essais effectués, l'évolution texturale des échantillons sous des conditions de contrainte, température et humidité imposées. Une augmentation même faible du degré d'humidité relative se traduit toujours par une phase de fluage transitoire rapide suivie d'une phase de fluage stationnaire à vitesse de déformation constante. La vitesse de déformation lors de cette phase de fluage stationnaire est généralement supérieure à celle de la phase de fluage stationnaire qui précède l'élévation du degré d'humidité. La texture et la composition de l'échantillon ainsi que sa réaction vis-à-vis du couple température-humidité imposé déterminent la prédominance d'un des micromécanismes de déformation possibles. D'un point de vue microstructural, le contenu des cristaux de halite en inclusions fluides et/ou solides exerce une grande influence sur leur ductilité. On montre que le sel laiteux riche en inclusions fluides est plus ductile que le sel de dôme dont les cristaux contiennent des inclusions solides. Au niveau des joints de grains, l'humidité s'adsorbe ou se condense permettant le déclenchement de certains mécanismes de déformation spécifiques. Selon la morphologie et l'état de surface de ces joints on assiste à des mécanismes de lubrification et de glissement (cas du sel de dôme) ou des mécanismes de cisaillement et de microstylolitisation (cas du sel laiteux). Par ailleurs, les films de saumures qui se reconstituent au niveau des joints favorisent la thermomigration des inclusions fluides d'un cristal de halite à un autre à travers ces joints saturés. Dans le sel phénoblastique 1'anhydrite contenue dans la matrice carbonato-sulfatée microporeuse s'hydrate en gypse sous l'action du couple température-humidité. Cette transformation s'accompagne d'un gonflement important qui se traduit par la fissuration prononcée des plages non halitiques ce qui peut entraîner une dégradation notable du matériau. En prenant en compte les trois paramètres essentiels qui conditionnent le fluage du sel gemme: la texture, la température (avec et sans gradient) et l'humidité, l'étude expérimentale tend à reconstituer de manière réaliste l'état des conditions susceptibles de se réunir à proximité d'une galerie de stockage de déchets radioactifs. Par conséquent elle permet d'avancer des arguments nécessaires pour aider à la prévision du comportement d'un massif salifère à long terme.