L’objectif global de ce travail est d’étudier une modélisation multi échelle et de développer une méthode adaptée pour la simulation numérique du processus d’érosion à l’échelle du bassin versant. Après avoir passé en revue les différents modèles existants, nous dérivons une solution analytique non triviale pour le système couplé modélisant le transport de sédiments par charriage. Ensuite, nous étudions l’hyperbolicité de ce système avec diverses lois de sédimentation proposées dans la littérature. Concernant le schéma numérique, nous présentons le domaine de validité de la méthode de splitting, pour les équations modélisant l’écoulement et celle décrivant l’évolution du fond. Pour la modélisation du transport en suspension à l’échelle de la parcelle, nous présentons un système d’équations couplant les mécanismes d’infiltration, de ruissellement et le transport de plusieurs classes de sédiments. L’implémentation et des tests de validation d’un schéma d’ordre élevé et de volumes finis bien équilibré sont également présentés. Ensuite, nous discutons sur l’application et la calibration du modèle avec des données expérimentales sur dix parcelles au Niger. Dans le but d’aboutir la simulation à l’échelle du bassin versant, nous développons une modélisation multi échelle dans laquelle nous intégrons le taux d’inondation dans les équations d’évolution afin de prendre en compte l’effet à petite échelle de la microtopographie. Au niveau numérique, nous étudions deux schémas bien équilibrés : le schéma de Roe basé sur un chemin conservatif, et le schéma avec reconstruction hydrostatique généralisée. Enfin, nous présentons une première application du modèle avec les données expérimentales du bassin versant de Ganspoel qui nécessite la parallélisation du code. / The overall objective of this thesis is to study a multiscale modelling and to develop a suitable method for the numerical simulation of soil erosion on catchment scale. After reviewing the various existing models, we derive an analytical solution for the non-trivial coupled system modelling the bedload transport. Next, we study the hyperbolicity of the system with different sedimentation laws found in the literature. Relating to the numerical method, we present the validity domain of the time splitting method, consisting in solving separately the Shallow-Water system (modelling the flow routing) during a first time step for a fixed bed and updating afterward the topography on a second step using the Exner equation. On the modelling of transport in suspension at the plot scale, we present a system coupling the mechanisms of infiltration, runoff and transport of several classes of sediment. Numerical implementation and validation tests of a high order wellbalanced finite volume scheme are also presented. Then, we discuss on the model application and calibration using experimental data on ten 1 m2 plots of crusted soil in Niger. In order to achieve the simulation at the catchment scale, we develop a multiscale modelling in which we integrate the inundation ratio in the evolution equations to take into account the small-scale effect of the microtopography. On the numerical method, we study two well-balanced schemes : the first one is the Roe scheme based on a path conservative, and the second one is the scheme using a generalized hydrostatic reconstruction. Finally, we present a first model application with experimental data of the Ganspoel catchment where the parallel computing is also motived.

Les besoins grandissants de prévisions robustes pour des systèmes complexes conduisent à introduire des modèles mathématiques considérant un nombre croissant de paramètres. Au temps s'ajoutent l'espace, l'aléa, les échelles de dynamiques, donnant lieu à des modèles stochastiques multi-échelles avec dépendance spatiale (modèles spatiaux). Cependant, l'explosion du temps de simulation de tels modèles complique leur utilisation. Leur analyse difficile a néanmoins permis, pour les modèles à une échelle, de développer des outils puissants: loi des grands nombres (LGN), théorème central limite (TCL), ..., puis d'en dériver des modèles simplifiés et algorithmes accélérés. Dans le processus de dérivation, des modèles et algorithmes dits hybrides ont vu le jour dans le cas multi-échelle, mais sans analyse rigoureuse préalable, soulevant ainsi la question d'approximation hybride dont la consistance constitue l'une des motivations principales de cette thèse.En 2012, Crudu, Debussche, Muller et Radulescu établissent des critères d'approximation hybride pour des modèles homogènes en espace de réseaux de régulation de gènes. Le but de cette thèse est de compléter leur travail et le généraliser à un cadre spatial.Nous avons développé et simplifié différents modèles, tous des processus de Markov de sauts pures à temps continu. La démarche met en avant, d'une part, des conditions d'approximations déterministes par des solutions d'équations d'évolution (type réaction-advection-diffusion), et, d'autre part, des conditions d'approximations hybrides par des processus stochastiques hybrides. Dans le cadre des réseaux de réactions biochimiques, un TCL est établi. Il correspond à une approximation hybride d'un modèle homogène simplifié à deux échelles de temps (suivant Crudu et al.). Puis, une LGN est obtenue pour un modèle spatial à deux échelles de temps. Ensuite, une approximation hybride est établie pour un modèle spatial à deux échelles de dynamique en temps et en espace. Enfin, des comportements asymptotiques en grandes populations et en temps long sont présentés pour un modèle d'épidémie de choléra, via une LGN suivie d'une borne supérieure pour les sous-ensembles compacts, dans le cadre d'un principe de grande déviation (PGD) correspondant.À l'avenir, il serait intéressant, entre autres, de varier la géométrie spatiale, de généraliser le TCL, de compléter les estimations du PGD, et d'explorer des systèmes complexes issus d'autres domaines. / The growing needs of precise predictions for complex systems lead to introducing stronger mathematical models, taking into account an increasing number of parameters added to time: space, stochasticity, scales of dynamics. Combining these parameters gives rise to spatial --or spatially inhomogeneous-- multiscale stochastic models. However, such models are difficult to study and their simulation is extremely time consuming, making their use not easy. Still, their analysis has allowed one to develop powerful tools for one scale models, among which are the law of large numbers (LLN) and the central limit theorem (CLT), and, afterward, to derive simpler models and accelrated algorithms. In that deduction process, the so-called hybrid models and algorithms have arisen in the multiscale case, but without any prior rigorous analysis. The question of hybrid approximation then shows up, and its consistency is a particularly important motivation of this PhD thesis.In 2012, criteria for hybrid approximations of some homogeneous regulation gene network models were established by Crudu, Debussche, Muller and Radulescu. The aim of this PhD thesis is to complete their work and generalize it afterward to a spatial framework.We have developed and simplified different models. They all are time continuous pure jump Markov processes. The approach points out the conditions allowing on the the one hand deterministic approximations by solutions of evolution equations of type reaction-advection-diffusion, and, on the other hand, hybrid approximations by hybrid stochastic processes. In the field of biochemical reaction networks, we establish a CLT. It corresponds to a hybrid approximation of a simplified homogeneous model (due to Crudu et al.). Then a LLN is obtained for a spatial model with two time scales. Afterward, a hybrid approximation is established, for a two time-space scales spatial model. Finally, the asymptotic behaviour in large population and long time are respectively presented for a model of cholera epidemic, through a LLN followed by the upper bound for compact sets, in the context of a corresponding large deviation principle (LDP).Interesting future works would be, among others, to study other spatial geometries, to generalize the CLT, to complete the LDP estimates, and to study complex systems from other fields.

Dans cette thèse, des techniques d’homogénéisation multi-échelles sont proposées pour l’analyse des vibrations des matériaux composites viscoélastiques. Dans la première partie, la Méthode Asymptotique à Deux Echelles (MADE) est proposée pour la modélisation des vibrations des longues structures sandwichs viscoélastiques répétitives. Pour ce type de structures les pulsations amorties correspondant aux modes propres de vibration sont regroupées en paquets bien distincts. La MADE décompose le problème initial de grande taille en deux problèmes de petites tailles. Le premier est défini sur quelques cellules de base et le second est une équation différentielle d’amplitude à coefficients complexes. La résolution de ces problèmes permet de déterminer les propriétés amortissantes correspondant aux modes de début et de fin de paquet de la structure tout en évitant la discrétisation de toute la structure. Pour les structures dont les coeurs ont un module d’Young dépendant de la fréquence, le problème non linéaire formulé sur les cellules de bases est résolu par l’approche diamant. Les modèles ADF et à dérivées fractionnaires ont été considérés dans les tests numériques. En utilisant la MADE, on évite la discrétisation de toute la structure, ce qui permet donc de réduire considérablement le temps de calcul ainsi que l’espace mémoire CPU nécessaires. L’approche proposée a été validée en comparant les résultats à ceux de la simulation éléments finis basée sur la discrétisation de toute la structure, et utilisant l’approche diamant. Dans la seconde partie de cette thèse, la méthode des éléments finis multi-échelles (EF2) a été développée pour le calcul des propriétés modales des structures à matériaux hétérogènes viscoélastiques en terme de fréquences amorties et amortissements modaux. Dans le principe de l’approche EF2, le problème de vibration est formulé à deux échelles : l’échelle de la structure globale (échelle macroscopique) et l’échelle d’un VER minutieusement choisi (échelle microscopique). Le problème à résoudre à l’échelle microscopique est un problème non linéaire alors que le problème à résoudre à l’échelle macroscopique est un problème linéaire. La non linéarité à l’échelle microscopique est introduite par la dépendance en fréquence du module d’Young des matériaux des phases viscoélastiques. Le problème non linéaire ainsi généré à l’échelle microscopique est résolu grâce à la MAN et ses outils de différentiation automatique réalisés sous Matlab, Fortran et C++. Un outil numérique, générique, robuste, peu coûteux en temps de calcul et espace mémoire CPU, de résolution des problèmes de vibrations non amorties des structures composites viscoélastique est ainsi mis en place. Le modèle viscoélastique à module constant ainsi que des modèles à modules dépendant de la fréquence notamment le modèle ADF et le modèle à dérivées fractionnaires ont été considérés pour les tests numériques de validation. Les comparaisons avec les résultats ABAQUS ont confirmé l’efficacité du code propos é. Le modèle est ensuite utilisé pour le calcul des propriétés amortissantes des structures sandwichs viscoélastiques à coeur composite. Les capacités de la nouvelle approche à concevoir des structures sandwichs viscoélastiques à coeur composite et à haut pouvoir amortissant ont été testées avec succès à travers l’étude de l’influence des différents paramètres des inclusions sur les propriétés amortissantes d’une structure sandwich viscoélastique à coeur composite / In this thesis, multiscale homogenization techniques are proposed for vibration analysis of structures with viscoelastic composite materials. In the first part, the Double Scale Asymptotic Method is proposed for vibration modeling of large repetitive viscoelastic sandwich structures. For this kind of structures, la eigenfrequencies are closely located in well separated packets. The DSAM splits the initial problem of large size into two problems of relatively small sizes. The first problem is posed on few basic cells, and the second one is an amplitude equation with complex coefficients. The resolution of these equations permits to compute the damping properties that correspond to the beginning and the end of every packets of eigenmodes. In case of structure with frequency dependent Young modulus in the core, the diamant approach is used to solve the nonlinear problem posed on basic cells. The ADF and fractional derivative models are considered in numerical tests. By using the DSAM, one avoid the discretization of the whole structure, and the computation time and needed CPU memory are thus reduced. The proposed method is validated by comparing its results with those of the direct finite element method using the diamant approach. In the second part of this thesis, the multiscale finite element method (FE2) is proposed for computation of modal properties (resonant frequency and modal loss factors) of structures with composite materials. In the principle of the (FE2) method, the vibration problem is formulated at two scales: the scale of the whole structure (macroscopic scale) and the scale of a Representative Volume Element (RVE) considered as the microscopic scale. The microscopic problem is a nonlinear one and the macroscopic problem is linear. The nonlinearity at the microscopic scale is introduced by the frequency dependence of the Young modulus of the viscoelastic phases. This nonlinear problem is solved by the Asymptotic Numerical Method and its automatic differentiation tools realizable in Matlab, Fortran or C++. From this approach, numerical tool that is generic, flexible, robust and inexpensive in term of CPU time and memory is proposed for vibration analysis of viscoelastic structures. The constant Young modulus and frequency dependent Young modulus are considered in validation tests. The results of numerical simulation with ABAQUS are used are reference. The model is then used to compute the modal properties of sandwich structure with viscoelastic composite core. To test the capacities of the proposed approach to design sandwich viscoelastic structure with high damping properties, the influence of parameters of the inclusions are studied

The context of this thesis is the numerical simulation of turbulent flows at moderate Reynolds numbers and the improvement of the capabilities of an in-house 3D unsteady and incompressible flow solver called SFELES to simulate such flows.<p>In addition to this abstract, this thesis includes five other chapters.<p><p>The second chapter of this thesis presents the numerical methods implemented in the two CFD solvers used as part of this work, namely SFELES and PHASTA.<p><p>The third chapter concentrates on the implementation of a new library called FlexMG. This library allows the use of various types of iterative solvers preconditioned by algebraic multigrid methods, which require much less memory to solve linear systems than a direct sparse LU solver available in SFELES. Multigrid is an iterative procedure that relies on a series of increasingly coarser approximations of the original 'fine' problem. The underlying concept is the following: low wavenumber errors on fine grids become high wavenumber errors on coarser levels, which can be effectively removed by applying fixed-point methods on coarser levels.<p>Two families of algebraic multigrid preconditioners have been implemented in FlexMG, namely smooth aggregation-type and non-nested finite element-type. Unlike pure gridless multigrid, both of these families use the information contained in the initial fine mesh. A hierarchy of coarse meshes is also needed for the non-nested finite element-type multigrid so that our approaches can be considered as hybrid. Our aggregation-type multigrid is smoothed with either a constant or a linear least square fitting function, whereas the non-nested finite element-type multigrid is already smooth by construction. All these multigrid preconditioners are tested as stand-alone solvers or coupled with a GMRES (Generalized Minimal RESidual) method. After analyzing the accuracy of the solutions obtained with our solvers on a typical test case in fluid mechanics (unsteady flow past a circular cylinder at low Reynolds number), their performance in terms of convergence rate, computational speed and memory consumption is compared with the performance of a direct sparse LU solver as a reference. Finally, the importance of using smooth interpolation operators is also underlined in this work.<p><p>The fourth chapter is devoted to the study of subgrid scale models for the large eddy simulation (LES) of turbulent flows.<p>It is well known that turbulence features a cascade process by which kinetic energy is transferred from the large turbulent scales to the smaller ones. Below a certain size, the smallest structures are dissipated into heat because of the effect of the viscous term in the Navier-Stokes equations.<p>In the classical formulation of LES models, all the resolved scales are used to model the contribution of the unresolved scales. However, most of the energy exchanges between scales are local, which means that the energy of the unresolved scales derives mainly from the energy of the small resolved scales.<p>In this fourth chapter, constant-coefficient-based Smagorinsky and WALE models are considered under different formulations. This includes a classical version of both the Smagorinsky and WALE models and several scale-separation formulations, where the resolved velocity field is filtered in order to separate the small turbulent scales from the large ones. From this separation of turbulent scales, the strain rate tensor and/or the eddy viscosity of the subgrid scale model is computed from the small resolved scales only. One important advantage of these scale-separation models is that the dissipation they introduce through their subgrid scale stress tensor is better controlled compared to their classical version, where all the scales are taken into account without any filtering. More precisely, the filtering operator (based on a top hat filter in this work) allows the decomposition u' = u - ubar, where u is the resolved velocity field (large and small resolved scales), ubar is the filtered velocity field (large resolved scales) and u' is the small resolved scales field. <p>At last, two variational multiscale (VMS) methods are also considered.<p>The philosophy of the variational multiscale methods differs significantly from the philosophy of the scale-separation models. Concretely, the discrete Navier-Stokes equations have to be projected into two disjoint spaces so that a set of equations characterizes the evolution of the large resolved scales of the flow, whereas another set governs the small resolved scales. <p>Once the Navier-Stokes equations have been projected into these two spaces associated with the large and small scales respectively, the variational multiscale method consists in adding an eddy viscosity model to the small scales equations only, leaving the large scales equations unchanged. This projection is obvious in the case of a full spectral discretization of the Navier-Stokes equations, where the evolution of the large and small scales is governed by the equations associated with the low and high wavenumber modes respectively. This projection is more complex to achieve in the context of a finite element discretization. <p>For that purpose, two variational multiscale concepts are examined in this work.<p>The first projector is based on the construction of aggregates, whereas the second projector relies on the implementation of hierarchical linear basis functions.<p>In order to gain some experience in the field of LES modeling, some of the above-mentioned models were implemented first in another code called PHASTA and presented along with SFELES in the second chapter.<p>Finally, the relevance of our models is assessed with the large eddy simulation of a fully developed turbulent channel flow at a low Reynolds number under statistical equilibrium. In addition to the analysis of the mean eddy viscosity computed for all our LES models, comparisons in terms of shear stress, root mean square velocity fluctuation and mean velocity are performed with a fully resolved direct numerical simulation as a reference.<p><p>The fifth chapter of the thesis focuses on the numerical simulation of the 3D turbulent flow over a re-entry Apollo-type capsule at low speed with SFELES. The Reynolds number based on the heat shield is set to Re=10^4 and the angle of attack is set to 180º, that is the heat shield facing the free stream. Only the final stage of the flight is considered in this work, before the splashdown or the landing, so that the incompressibility hypothesis in SFELES is still valid.<p>Two LES models are considered in this chapter, namely a classical and a scale-separation version of the WALE model. Although the capsule geometry is axisymmetric, the flow field in its wake is not and induces unsteady forces and moments acting on the capsule. The characterization of the phenomena occurring in the wake of the capsule and the determination of their main frequencies are essential to ensure the static and dynamic stability during the final stage of the flight. <p>Visualizations by means of 3D isosurfaces and 2D slices of the Q-criterion and the vorticity field confirm the presence of a large meandering recirculation zone characterized by a low Strouhal number, that is St≈0.15.<p>Due to the detachment of the flow at the shoulder of the capsule, a resulting annular shear layer appears. This shear layer is then affected by some Kelvin-Helmholtz instabilities and ends up rolling up, leading to the formation of vortex rings characterized by a high frequency. This vortex shedding depends on the Reynolds number so that a Strouhal number St≈3 is detected at Re=10^4.<p>Finally, the analysis of the force and moment coefficients reveals the existence of a lateral force perpendicular to the streamwise direction in the case of the scale-separation WALE model, which suggests that the wake of the capsule may have some <p>preferential orientations during the vortex shedding. In the case of the classical version of the WALE model, no lateral force has been observed so far so that the mean flow is thought to be still axisymmetric after 100 units of non-dimensional physical time.<p><p>Finally, the last chapter of this work recalls the main conclusions drawn from the previous chapters. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse propose différentes méthodes théoriques et numériques pour simuler à coût réduit le comportement des plasmas ou des faisceaux de particules chargées sous l’action d’un champ magnétique fort. Outre le champ magnétique externe, chaque particule est soumise à champ électromagnétique créé par les particules elles-mêmes. Dans les modèles cinétiques, les particules sont représentées par une fonction de distribution f(x,v,t) qui vérifie l’équation de Vlasov. Afin de déterminer le champ électromagnétique, cette équation est couplée aux équations de Maxwell ou de Poisson. L’aspect champ magnétique fort est alors pris en compte par un dimensionnement adéquat qui fait apparaître un paramètre de perturbation singulière 1/ε. / This thesis is devoted to the study of charged particle beams under the action of strong magnetic fields. In addition to the external magnetic field, each particle is submitted to an electromagnetic field created by the particles themselves. In kinetic models, the particles are represented by a distribution function f(x,v,t) solution of the Vlasov equation. To determine the electromagnetic field, this equation is coupled with the Maxwell equations or with the Poisson equation. The strong magnetic field assumption is translated by a scaling wich introduces a singular perturbation parameter 1/ε.

Selon des études comportementales, les comportements complexes sont des processus multi-échelles, souvent composés de sous-éléments (unités fonctionnelles ou primitives). Cette thèse propose des architectures fonctionnelles afin de représenter la structure dynamique des unités fonctionnelles ainsi que celle des comportements multi-échelles résultants. Dans un premier temps, des unités fonctionnelles sont modélisées comme des flux structurés de faible dimension dans l'espace de phase (modes de fonctionnement). Des dynamiques supplémen-taires (signaux opérationnels) opèrent sur ces modes de fonctionnement faisant émerger des comportements complexes et sont classifiés selon la séparation entre leur échelle temporelle et celle des modes. Ensuite, des mesures de complexité, appliquées sur des architectures dis-tinctes composant un mouvement simple, révèlent un compromis entre la complexité des modes de fonctionnement et celle des signaux opérationnels. Celui-ci dépend de la séparation entre leurs échelles temporelles et soutient l'efficacité des architectures utilisant des modes non triviaux. Dans un deuxième temps, une architecture pour le comportement séquentiel (ici l'écriture) est construite via le couplage des modes de fonctionnement (réalisant des lettres) et des signaux opérationnels, ceux-ci beaucoup plus lents ou beaucoup plus rapides. Ainsi, l'importance des interactions entre les échelles temporelles pour l'organisation du comporte-ment est illustrée. Enfin, les contributions des modes et des signaux sur la sortie de l'architec-ture sont déterminées. Ceci semble être uniquement possible grâce à l'analyse du flux de phase (c'est-à-dire, non pas à partir des trajectoires dans l'espace de phase ni des séries temporelles). / Behavioural studies suggest that complex behaviours are multiscale processes, which may be composed of elementary ones (units or primitives). Traditional approaches to cognitive mod-elling generally employ reductionistic (mostly static) representations and computations of simplistic dynamics. The thesis proposes functional architectures to capture the dynamical structure of both functional units and the composite multiscale behaviours. First, a mathe-matical formalism of functional units as low dimensional, structured flows in phase space is introduced (functional modes). Second, additional dynamics (operational signals), which act upon functional modes for complex behaviours to emerge, are classified according to the separation between their characteristic time scale and the one of modes. Then, complexity measures are applied to distinct architectures for a simple composite movement and reveal a trade off between the complexities of functional modes and operational signals, depending on their time scale separation (in support of the control effectiveness of architectures employing non trivial modes). Subsequently, an architecture for serial behaviour (along the example of handwriting) is demonstrated, comprising of functional modes implementing characters, and operational signals much slower (establishing a mode competition and ‘binding’ modes into sequences) or much faster (as meaningful perturbations). All components being coupled, the importance of time scale interactions for behavioural organization is illustrated. Finally, the contributions of modes and signals to the output are recovered, appearing to be possible only through analysis of the output phase flow (i.e., not from trajectories in phase space or time).

Cílem této práce je vytvořit neuronovou síť která bude schopna rekonstruovat obličeje z fotografií na kterých je část obličeje překrytá maskou. Jsou prezentovány koncepty využívané při vývoji konvolučních neuronových sítí a generativních kompetitivních sítí. Dále jsou popsány koncepty používané v neuronových sítích specificky pro rekonstrukci fotografií obličejů. Je představen model generativní kompetitivní sítě využívající kombinaci hrazených konvolučních vrstev a víceškálových bloků schopný realisticky doplnit oblasti obličeje zakryté maskou.

Copper (Cu) interconnects have been widely used to replace aluminum in ultra-large-scale integration due to low resistivity and superior resistance to electromigration. Current processes for the fabrication of interconnects require thin Cu seed layers before the subsequent Cu filling by electrochemical deposition (ECD). It is crucial that these seed layers are coated conformally and smoothly in vias and trenches, ensuring that the ECD Cu films are free of voids. With the continuous scaling down of device dimensions, atomic layer deposition (ALD) has been considered as the most promising technology for making the Cu seed layers, because of its excellent conformality and precise thickness control. This dissertation is dedicated to the multiscale simulation of Cu ALD using the Cu beta-diketonate precursors (nBu3P)2Cu(acac) and Cu(acac)2. Different co-reactants (H, H2, H2O, O3 and wet O2) were investigated with respect to their application for the ALD of metallic Cu and Cu oxides. While Cu beta-diketonates have been widely applied in ALD, the mechanistic details of the surface reactions are still largely unknown. Ab initio calculations were performed to obtain the input data for reactive molecular dynamics (RMD) simulations and thermodynamic modeling, which were realized at the molecular-scale and macroscale, respectively. / Kupferleitbahnen werden in höchstintegrierten Schaltkreisen aufgrund des niedrigen spezifischen Widerstands und der sehr guten Beständigkeit gegen Elektromigration verwenden. Aktuelle Verfahren zur Leitbahnherstellung erfordern dünne Cu Keimschichten vor der anschließenden Cu Füllung durch die elektrochemische Abscheidung (ECD). Dabei ist es entscheidend, dass diese Keimschichten konform und glatt in den Vias und Gräben abgeschieden werden können, so dass die ECD Cu-Filme frei von Hohlräumen sind. Mit der weiteren Skalierung wird die Atomlagenabscheidung (ALD) mit ihrer hohen Konformalität und der ausgezeichneten Dickensteuerung als die vielversprechendste Technik zur Herstellung der Cu Keimschichten betrachtet. Die vorliegende Dissertation ist der Multiskalensimulation der ALD von metallischem Kupfer und Kupferoxiden aus Cu-beta-Diketonat Präkursoren (nBu3P)2Cu(acac) und Cu(acac)2 gewidmet. Verschiedene Koreaktanden H, H2, H2O, O3 und feuchtes O2 werden hinsichtlich ihrer Anwendung für die ALD von metallischem Kupfer oder Kupferoxid untersucht. Die Mechanismen der Oberflächenreaktionen dieser Präkursoren sind noch weitgehend unbekannt, obwohl die Cu Beta-Diketonate in der ALD bereits breite Verwendung finden. Ab-initio-Rechnungen wurden durchgeführt, um die Eingangsdaten für die reaktive Molekulardynamiksimulation und die thermodynamische Modellierung zu erhalten, die sowohl auf molekularer wie auch auf makroskopischer Ebene durchgeführt wurden.

Durch Multiskalensimulationen wird der Ladungstransport in nanodrahtbasierten Schottky-Barrieren-Feldeffekt-Transistoren im Materialsystem Ni2Si/Si untersucht. Die Bedingungen an die Genauigkeit der verwendeten Eingangsparameter werden bestimmt und Vorhersagen über optimale Material- und Geräteparameter werden getroffen. Es wird die Frage beantwortet, ob die Bestimmung von physikalischen Parametern aus einzelnen gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinie möglich ist. Der Feldeffekt wird durch Berechnungen auf Basis der Finiten-Elemente-Methode und die resultierenden Stromflüsse durch ein quantenmechanisches Transportmodell ermittelt. In der Untersuchung der geometrischen Eingangsparameter wird gezeigt, dass bis auf den Radius des Nanodrahtes die in einem Experiment zu erwartenden Messfehler keinen drastischen Einfluss auf die Strom-Spannungs-Kennlinie haben. Signifikant ist hingegen der Einfluss der Temperatur, der effektiven Ladungsträgermassen und der Höhe der Schottky-Barriere. Da diese drei Eingangsparameter des betrachteten Systems mit relativ großen Ungenauigkeiten behaftet sind, ist die Bestimmung von physikalischen Parametern aus einzelnen gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien auf die erhoffte Weise nicht möglich. Die Arbeit zeigt auch, dass bereits moderate Veränderungen der Arbeitstemperatur einen bedeutenden Einfluss auf die Strom-Spannungs-Kennlinie haben. Für die Konstruktion von Transistoren mit hoher Stromdichte kann anhand der ermittelten Daten die Verkleinerung der aktiven Region durch Oxidation vorgeschlagen werden.:Kurzfassung/Abstract I Verwendete Symbole IV Verwendete Parameter VI Verwendete Abkürzungen VII 1 Motivation 8 2 Grundlagen 9 2.1 Modellbildung und Simulation 9 2.2 Schottky-Diode 10 2.3 Feldeffekt-Transistor 12 2.4 Feldeffekt-Transistor auf der Basis von Silizium-Nanodrähten 13 3 Methoden 17 3.1 Simulationsmodell 17 3.2 Finite-Elemente-Methode 20 3.3 Landauer-Büttiker-Formalismus 21 3.4 Hamiltonoperator 22 3.5 Transmissionsfunktion 23 3.6 Büttiker Sonde 24 4 Ergebnisse und Diskussion 26 4.1 Implementierung des Simulationsprogrammes 26 4.2 Berechnung der Basis-Strom-Spannungs-Kennlinie 31 4.3 Wahl der Simulationsparameter 35 4.4 Abhängigkeit von geometrischen Parametern 41 4.5 Abhängigkeit von physikalischen Parametern 49 5 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick 55 Abbildungsverzeichnis 59 Literatur 62 / Charge transport in nanowire-based Schottky-barrier field-effect transistors in the material system Ni2Si/Si is examined by multi-scale simulations. The requirements for the accuracy of the input parameters are determined and predictions about optimum material and device parameters are made. The question is answered, whether the determination of physical parameters from individual measured current-voltage curves is possible? The field effect is described by calculations based on the finite element method and the resulting currents are calculated with a quantum mechanical transport model. In the study of the geometric input parameters it is shown that experimental uncertainties do not drastically affect the current-voltage characteristic, except from the nanowire radius. However, significant is the influence of the temperature, the effective charge carrier mass and the height of the Schottky-barrier. Since these three input parameters are known only with low experimental accuracy for the considered system, the determination of physical parameters from individual measured current-voltage curves is not possible in the expected way. The results also show that moderate changes of the working temperature have a significant influence on the current-voltage characteristic. For the construction of transistors with high current density the reduction of the active region by oxidation is proposed.:Kurzfassung/Abstract I Verwendete Symbole IV Verwendete Parameter VI Verwendete Abkürzungen VII 1 Motivation 8 2 Grundlagen 9 2.1 Modellbildung und Simulation 9 2.2 Schottky-Diode 10 2.3 Feldeffekt-Transistor 12 2.4 Feldeffekt-Transistor auf der Basis von Silizium-Nanodrähten 13 3 Methoden 17 3.1 Simulationsmodell 17 3.2 Finite-Elemente-Methode 20 3.3 Landauer-Büttiker-Formalismus 21 3.4 Hamiltonoperator 22 3.5 Transmissionsfunktion 23 3.6 Büttiker Sonde 24 4 Ergebnisse und Diskussion 26 4.1 Implementierung des Simulationsprogrammes 26 4.2 Berechnung der Basis-Strom-Spannungs-Kennlinie 31 4.3 Wahl der Simulationsparameter 35 4.4 Abhängigkeit von geometrischen Parametern 41 4.5 Abhängigkeit von physikalischen Parametern 49 5 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick 55 Abbildungsverzeichnis 59 Literatur 62

Le procédé de coextrusion permet de combiner à l’état fondu plusieurs couches de polymères dans une même structure. La compatibilisation des différentes couches est généralement réalisée à l’aide de liants qui réagissent in-situ. Bien que la compatibilisation puisse permettre de réduire ou même supprimer les instabilités macroscopiques d’écoulement, un nouveau défaut qualifié de « granité » peut apparaitre. Très peu de travaux de la littérature traitent les mécanismes gouvernant ce type de défaut. Les phénomènes mis en jeu sont particulièrement complexes puisqu’ils impliquent de façon couplée des phénomènes hydrodynamiques via l’écoulement, la rhéologie des différentes couches et des phénomènes physico-chimiques via la diffusion et la réaction chimique aux interfaces polymère/polymère. Ce mémoire s’articule autour d’une étude multi-échelle du rôle des copolymères aux interfaces sur la stabilité des écoulements stratifiés. L’étude a été réalisée à la fois sur des systèmes non-réactifs et réactifs constitués d’une couche barrière, le polyamide 6 (PA6) ou le poly(éthylène-co-alcool vinylique) (EVOH), avec un polypropylène (PP) ou un polypropylène greffé anhydride maléique (PP-g-AM). Le défaut de « granité » a été mis en évidence en coextrusion. Les paramètres procédé et matériaux influençant son apparition ont été identifiés. Il a pu être différencié des défauts et des instabilités interfaciales généralement rencontrées en coextrusion. Le phénomène de compatibilisation a également été étudié via les caractérisations morphologiques (MET, MEB, AFM) et physico-chimiques (XPS) aux interfaces. Le comportement rhéologique en cisaillement et élongation en viscoélasticité linéaire et non linéaire s’est révélé très sensible à l’effet la présence de copolymères aux interfaces et à leur architecture moléculaire. Cette étude a permis de déterminer les propriétés intrinsèques de l’interface/interphase en fonction du copolymère formé entre le liant et le PA6 ou l’EVOH. Elles ont pu être corrélées aux défauts macroscopiques observés dans les films multicouches coextrudés. La stabilité de ces écoulements stratifiés résulte d’un couplage de phénomènes qui se produisent à différentes échelles : nano (réaction de copolymérisation), micro (interphase) et macro (écoulement dans le procédé). / Several polymers can be combined in one multilayer structure by reactive coextrusion. Tie-layers are often used to compatibilize the adjacent layers and may reduce or suppress the interfacial instabilities and the defects in the multilayer coextrusion flow. However, an additional defect defined as the “grainy” defect can be observed. In the best of our knowledge, no study in literature has been devoted to understand its origin. The phenomena are quite complex due to the coupling of the effects of flow and the physico-chemical mechanisms at the interface. The aim of this work is to understand the relations between the instabilities and the defects encountered in multilayer coextruded films and the role of the copolymer formed in-situ between tie and barrier layers. Polyamide 6 (PA6) and ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH) were used as the barrier layers sandwiched in a polypropylene (PP) with or without a polypropylene grafted maleic anhydride (PP-g-MA) as a tie-layer. The effect of the process parameters and the structure of the polymers on the generation of the “grainy” defect was assessed in correlation with the rheological and the physicochemical properties of the layers. These experiments have shown that this defect appeared mainly in the compatibilized EVOH system and could be distinguished from the usual coextrusion instabilities. The interfacial properties between tie and barrier layers were investigated. The characterization of the interfacial morphology by TEM and AFM highlighted an irregular and rough interface between PP-g-MA and EVOH while a flat interface was observed with PA6 and PP-g-MA. Step shear and startup elongation rheology was shown to be sensitive to the copolymer at the polymer/polymer interface. The study of the interfacial properties highlighted that the copolymer architecture significantly impacts the interfacial roughness and the rheology of the multilayer stuctures. Hence, relations between the relaxation process, the interfacial morphology and the copolymer architecture were established in correlation with the generation of the macroscopic grainy defect in coextrusion.