L’objectif principal de ces travaux de thèse est de caractériser lecomportement et l’endommagement d’un matériau HLE durant le procédé depoinçonnage. Ils comportent dans un premier temps, une étude expérimentale quirepose sur des observations micrographiques et des essais macroscopiques àdifférents états de contrainte, afin d’identifier les mécanismes physiquesd’endommagement mis en jeu. Cette étude est complétée par une modélisationnumérique du modèle d’endommagement de Gurson modifié en cisaillement et sonimplémentation dans ABAQUS/Explicit. Une stratégie d’identification des paramètresmatériau basée sur une large gamme de configurations expérimentales a été mise enplace. Des essais de poinçonnage ont été réalisés en faisant varier le jeu poinçon-matrice, afin de tester la capacité prédictive du modèle de Gurson modifié par rapportau modèle de GTN classique et à un critère découplé basé sur l’initiation de rupture.L’influence du jeu poinçon-matrice sur la qualité de découpe et sur les niveaux desétats de contrainte et de déformation a été également mise en évidence. Lesprédictions de rupture obtenues par cette approche et pour le matériau étudié sont enbon accord avec les observations expérimentales. Il reste à valider le modèle pourdes configurations de couples matériau/procédé plus étendues et à réaliser sonenchainement avec les autres procédés de mise en forme. / The main objective of this thesis is to characterize the behavior anddamage of a HSLA materials during the punching process. They comprise in a firsttime, an experimental study based on micrographic observations and macroscopictests at different stress states to identify the physical mechanisms of damage set in.This study is complemented by a numerical simulation modeling of a Gurson damagemodel modified in shear case and its implementation in ABAQUS / Explicit. Anidentification strategy of material parameters based on a wide range of experimentalconfigurations has been realized. Punching tests were performed by varying thepunch-die clearance to test the predictive ability of the modified Gurson modelcompared to the standard GTN model and to decoupled criterion based on the ductilefracture initiation. The influence of the punch-die clearance blanking quality and instress and strain states levels was also highlighted. Predictions of fracture obtainedby this approach and for the material studied are in good agreement withexperimental observations. It remains to validate the model for larger couple’smaterial/process configurations and realize its concatenation with other formingprocesses.

Le formage superplastique (SuperPlastic Forming, SPF) permet d'élaborer des pièces de forme complexe qui, de par les matériaux employés, allient faible densité et haute résistance mécanique. Toutefois, sa mise en œuvre nécessite la connaissance de la loi de pression à appliquer afin de contrôler l'endommagement tout comme la répartition d'épaisseur au sein de la pièce. Il est ainsi nécessaire de mettre en place des simulations numériques pour déterminer les conditions optimales du formage. L'exactitude des prédictions obtenues repose alors sur la description du comportement et de l'endommagement du matériau soumis à des conditions thermomécaniques représentatives du procédé considéré. Le présent travail propose donc une modélisation du comportement et de l'endommagement de l'alliage d'aluminium 7475 via une étude comparative de divers modèles. Les travaux peuvent ainsi être divisés en trois grandes étapes : (i) la caractérisation du comportement de l'alliage ; (ii) la caractérisation de l'endommagement de l'alliage et (iii) la mise en place de simulations numériques pour des formes types. Des essais de traction uniaxiale à chaud ont été réalisés afin de caractériser le comportement de l'alliage 7475. Une modélisation de ce-dernier par trois modèles (Norton-Hoff, Johnson-Cook et Zener-Hollomon) est proposée. Les résultats obtenus montrent que le modèle de Zener-Hollomon conduit à la meilleure description du comportement rhéologique de l'alliage dans les conditions thermomécaniques étudiées. Par la suite, l'endommagement de l'alliage 7475 dans des conditions représentatives du formage superplastique a été étudié. Un critère de type Gurson est proposé. Des observations par micro-tomographie aux rayons X ont d'ailleurs permis d'étudier plus précisément l'évolution de l'endommagement au cours de la déformation. À partir de ces résultats, des simulations numériques par éléments finis (sous ABAQUS) ont été mises en place. / Superplasticity is the ability of some materials to sustain very high value of strain (up to 2000%) under low stress and within a specific range of temperature and strain rate. Complex shape components combining low density and high strength can thus be elaborated by using this peculiar characteristic. Superplastic forming process consists in deforming a flange by applying a variable pressure until the flange takes the form of a die. A good knowledge of the pressure law to apply is therefore primordial in order to avoid damage and obtain homogeneous thickness distribution. Numerical simulations are generally used to predict the optimal forming conditions. But a precise description of the rheological response of the material (in terms of flow rule and damage evolution) under thermomechanical conditions representative of the process is necessary. The PhD work introduces several rheological models to describe the behavior of a 7xxx aluminum alloy during superplastic forming process. The work is divided into three parts: (i) characterization of rheological models, (ii) characterization of damage models and (iii) development of numerical simulations to predict the superplastic forming of typical shapes. Hot uniaxial tensile tests have been performed to characterize the rheological behavior of a 7475 alloy. Three models (i.e. Norton-Hoff, Johnson-Cook and Zener-Hollomon) have been identified but only the last one leads to a good prediction of the material response. A GTN damage model has also been identified. Observations by X-rays micro-tomography have allowed studying in more details the damage evolution during the deformation. From these results, different cases have been simulated in ABAQUS.

Les métaux à l’état semi-solide présentent un comportement rhéofluidifiant caractérisé par une forte chute de la viscosité avec la vitesse de déformation facilitant le remplissage des matrices lors de la mise en forme. L’exploitation de ce comportement donne lieu à un procédé de mise en forme appelé « thixoforgeage ». L’état semi-solide est obtenu en refusion partielle à partir de l’état solide et la fraction de solide est supérieure à 0.8. Les plus hautes températures mises en jeu dans le cas des matériaux à haut point de fusion comme les aciers rendent la maîtrise du procédé plus complexe. Cependant, les travaux antérieurs sur le thixoforgeage d’aciers ont montré le potentiel de ce procédé pour réduire la consommation en matière première et en énergie. La thèse s’inscrit dans le cadre du projet TACA «Thixoforgeage d’Aciers pour la fabrication de Composants Automobiles» piloté par l’IRT-M2P. Il ambitionne le développement industriel du thixoforgeage des aciers pour la fabrication de pièces automobiles. La maîtrise et le développement du thixoforgeage nécessite une bonne connaissance du comportement mécanique du matériau à l’état semi-solide et le développement d’outils de simulation numérique adaptés. Ce travail de thèse a pour objectifs de (i) caractériser expérimentalement le comportement thermomécanique des aciers à l’état semi-solide, (ii) développer un modèle de comportement destiné à être implanté dans le logiciel FORGE® pour simuler le thixoforgeage. Une attention particulière a été portée sur le comportement en traction pour caractériser l’intervalle de température dans lequel le matériau devient très sensible à la fissuration à chaud. Des essais en traction menés à différentes températures ont permis de déterminer la température à partir de laquelle la résistance et la ductilité du matériau chutent drastiquement. Les mécanismes conduisant à ces chutes ont été identifiés et sont conformes à ceux décrits dans la littérature. Un modèle basé sur une approche d’homogénéisation qui prend en compte explicitement le rôle mécanique des phases liquide et solide a été développé. Ce modèle repose sur une approche viscoplastique établie antérieurement puis enrichie afin (i) d’intégrer le comportement élastique du squelette solide saturé en liquide et (ii) distinguer les évolutions de distribution spatiale des phases liquide et solide selon le trajet de chargement en traction ou en compression. Il permet de décrire avec succès, pour la première fois, les trois stades de la réponse mécanique en traction (augmentation, stabilisation puis chute de la contrainte en fonction du déplacement). Le modèle a ensuite été implanté dans le code éléments finis FORGE®. Les simulations des essais de traction GLEBBLE ont permis d’identifier les paramètres du modèle. Des comparaisons des résultats expérimentaux et numériques ont permis de reproduire des phénomènes de localisation de la déformation réelle. Après la validation sur des essais de traction, des simulations de procédés de thixoforgeage industriel, tels que le forgeage de U, ont été étudiées et comparées aux résultats expérimentaux réalisés sur la plateforme Vulcain de l'ENSAM de Metz. Un critère permettant de définir des zones sensibles à la fissuration à chaud a été proposé. La comparaison avec des observations expérimentales a montré que ce critère constitue une première approche encourageante pour prédire les zones de fragilité de la pièce en thixoforgeage. / Semi-solid metals and alloys exhibit a shear thinning behavior characterized by a sharp drop in viscosity with increasing strain rate. This property promotes a smooth die filling during forming. To exploit this advantage, several semi-solid forming process have been developed. Among these processes, we find the thixoforging when the semi-solid state is obtained by a partial remelting from solid state. The solid fraction is above 0.8. Thixoforging of high melting point alloys such as steels is particularly challenging because of about 1400°C temperatures involved. However, previous works showed that this process reveals high potential to reduce material as well as energy consumption. The present PhD thesis is part of a French research project named TACA «Thixoforging of steels for fabrication of automative parts» leaded by IRT-M2P. It aims at industrial development of steel thixoforging for manufacturing automotive components. The mastery and the development of steel thixoforging require a good knowledge of the mechanical behavior of semi-solid steels and appropriate numerical tools to simulate the process. The PhD work aims to (1) characterize the thermomechanical behavior of semi-solid steels and (2) develop constitutive equations that have to be implemented into the commercial code FORGE® to simulate thixoforging. A special attention was paid to the tensile behavior to investigate the temperature range in which the material is very sensitive to hot cracking. Tensile tests provided the temperature from which the material lost its tensile strength and its ductility. Mechanisms leading to the drop of these two properties were identified and were found to be consistent with mechanisms described in literature. A model based on homogenization approach, namely taking explicitly into account the mechanical role of the liquid and solid phases was developed. This model is based on a viscoplastic approach previously developed that was enhanced to (1) include the elastic response of the solid skeleton saturated with liquid and to (2) distinguish the evolution of the spatial liquid/solid distribution according to the tensile or compressive loading path. It successfully describes the three stages of the response in tension: increase, stabilization and decrease of the stress with increasing displacement. The model was implemented in the FORGE® finite element code. The experimental tensile tests were simulated to provide identification of the model parameters. The simulation results showed that strong deformation localization zones were predicted consistently with experiments. Simulations of thixoforging industrial processes such as forging U were studied and compared with experimental results achieved on the Vulcan platform (ENSAM Metz). In addition, a criterion determining the zones without any tensile strength and so sensitive to hot cracking was proposed. Comparison with experimental observations showed that this criterion is an encouraging first approach to predict the brittle zones of thixoforging parts.

Vertical external-cavity surface-emitting lasers are ideal testbeds for studying the influence of the non-equilibrium many-body dynamics on mode locking. As we will show in this thesis, ultra short pulse generation involves a marked departure from Fermi carrier distributions assumed in prior theoretical studies. A quantitative model of the mode locking dynamics is presented, where the semiconductor Bloch equations with Maxwell’s equation are coupled, in order to study the influences of quantum well carrier scattering on mode locking dynamics. This is the first work where the full model is solved without adiabatically eliminating the microscopic polarizations. In many instances we find that higher order correlation contributions (e.g. polarization dephasing, carrier scattering, and screening) can be represented by rate models, with the effective rates extracted at the level of second Born-Markov approximations. In other circumstances, such as continuous wave multi-wavelength lasing, we are forced to fully include these higher correlation terms. In this thesis we identify the key contributors that control mode locking dynamics, the stability of single pulse mode-locking, and the influence of higher order correlation in sustaining multi-wavelength continuous wave operation.

Dans le noyau des cellules eucaryotes, l’ADN s’enroule autour d’histones pour former des nucléosomes, lesquels s’arrangent à leur tour en une fibre compacte et dynamique appelée chromatine. Les propriétés physiques de cette fibre aux différentes échelles, depuis la double-hélice de l’ADN jusqu’aux chromosomes micrométriques, sont essentielles aux mécanismes complexes de l’expression des gènes et sa régulation. La présente thèse est une contribution audéveloppement de modèles physiques capables de relier les différentes échelles, et d’interpréter et d’intégrer des données provenant d’une large gamme d’approches expérimentales et numériques. En premier lieu, nous utilisons des simulations de dynamique moléculaire d’oligomères d’ADN pour étudier l’ADN double-hélical à différentes températures. Nous estimons la contribution séquence-dépendante de l’entropie à l’élasticité de l’ADN, en lien avec des expériencesrécentes sur la longueur de persistence de l’ADN. En second lieu, nous modélisons les interactions ADN-histones au sein du Nucleosome Core Particle. Nous utilisons la nanomécanique de l’ADN afin d’extraire un champ de force d’un ensemble de structures cristallographiques du nucléosome et de données de dynamique moléculaire. En troisième lieu, nous étudions la partie plus molle du nucléosome, l’ADN linker entre les core particles, qui s’associe transitoirement à l’histone H1 pour former un “stem”. Nous combinons des informations structurales existantes avec des données expérimentales à deux résolutions différentes (DNA footprinting et électro-microscopie) afin de développer un modèle de stem à l’échelle nanométrique. / In the nucleus of eukaryotic cells, DNA wraps around histone proteins to form nucleosomes, which in turn associate in a compact and dynamic fiber called chromatin. The physical properties of this fiber at different lengthscales, from the DNA double-helix to micrometer-sized chromosomes, are essential to the complex mechanisms of gene expression and its regulation. The present thesis is a contribution to the development of physical models, which are able to link different scales and to interpret and integrate data from a wide range of experimental and computational approaches. In the first part, we use Molecular Dynamics simulations of DNA oligomers to study doublehelical DNA at different temperatures. We estimate the sequence-dependent contribution of entropy to DNA elasticity, in relation with recent experiments on DNA persistence length. In the second part, we model the DNA-histone interactions within the nucleosome core particle,using DNA nanomechanics to extract a force field from a set of crystallographic nucleosome structures and Molecular Dynamics snapshots. In the third part, we consider the softer part of the nucleosome, the linker DNA between coreparticles which transiently associates with the histone H1 to form a “stem”.We combine existing structural knowledge with experimental data at two different resolutions (DNA footprints and electro-micrographs) to develop a nanoscale model of the stem.

Une simple classification morphologique des galaxies de l'Univers local montre deux grandes familles: (1) les galaxies disques, avec des bras spiraux et dans deux-tiers des cas une barre stellaire; et (2) les galaxies elliptiques et lenticulaires, dites galaxies de type précoce ou early-type galaxies (ETGs), qui sont dominées par une composante stellaire sphéroidale. Les galaxies les plus massives de l'Univers local sont les ETGs. Ces galaxies présentent aussi une large variété de dynamique stellaire: elles peuvent avoir un champ de vitesse régulier et aligné avec la photométrie ou perpendiculaire à la photométrie; ne présenter aucune rotation globale; ou alors être composées de deux disques en contre-rotation l'un par rapport à l'autre (Kinematically Distinct Core ou KDC). Ces signatures dans la dynamique stellaire des ETGs et leur importante masse sont des signes d'interactions passées, en particulier des signes de fusions de galaxies. Le but principal de ma thèse est d'analyser un large échantillon de simulations numériques à haute résolution de fusions binaires de galaxies. Ces fusions sont dites "idéalisées" car elles ne prennent pas en compte le contexte cosmologique de formation des galaxies : deux galaxies en isolation sont lancées sur une orbite permettant la fusion de ces galaxies, le résultat final attendu de la fusion étant une ETG. L'analyse statistique de ce large échantillon de simulations nous permet de relier les conditions initiales de la fusion à la galaxie finale. J'ai démontré que le rapport de masse entre les spirales initiales et que l'orientation de leurs moments angulaires sont des points essentiels à la formation des ETGs avec peu ou beaucoup de rotation et des KDCs. La morphologie de la spirale (rapport Bulbe/Disque) est aussi un point important pour la formation des KDC mais son impact n'est pas clair et de nouvelles simulations sont nécessaires pour conclure. Durant ma thèse, j'ai aussi étudié l'importance de la résolution dans les simulations numériques de fusion de galaxies. J'ai montré que le nombre de particules et la taille des cellules utilisées ont une importance prépondérante dans les résultats finaux. Une trop faible résolution (i.e. peu de particules et une grille grossière) ne permet pas de suivre l'évolution rapide du potentiel gravitationnel lors de la fusion. Dans ce cas, certaines particules n'évacuent pas leur moment angulaire vers l'extérieur de la galaxie: la galaxie résultante de la fusion garde ainsi une plus forte rotation. A haute résolution, la dispersion de ces orbites est résolue, la galaxie résultante possède donc une faible rotation et peut former, sous certaines conditions initiales, un KDC. / A simple morphological classification of the galaxies in the local Universe shows two main families: (1) the disc galaxies, with spiral arms and in two-thirds of these galaxies a stellar bar; and (2) the elliptical and lenticular galaxies, labelled early-type galaxies (ETGs), which are dominated by a spheroidal stellar component. ETGs are among the most massive galaxies of the local Universe and present a red color, meaning that their stars are old. These galaxies also present a large diversity of stellar dynamics: they may have a regular rotation pattern aligned with the photometry or perpendicular to it; they can present no global rotation at all; or may hold a central stellar component with a rotation axis distinct from the outer stellar body called a Kinematically Distinct Core (KDC). These features observed in the dynamics of the ETGs and their large mass are clearly signs of past interactions, especially signs of galaxy mergers. The main goal of my thesis is to analyse a large sample of high-resolution numerical simulations of binary galaxy mergers. These binary mergers are called "idealized" because they do not take into account the full cosmological context of galaxy formation: two isolated spiral galaxies are launched in an orbit resulting in a merger of the galaxies, the final remnant is an ETG. The statistical analysis of this large sample of simulations enables us to link the initial conditions of the merger to the final merger remnant. I demonstrated that the mass ratio between the spiral progenitors and the orientation of their spins of angular momentum are the main drivers for the formation of fast and slow rotating ETGs and the KDCs. The morphology of the initial spiral (Bulge/Disc ratio) seems also to play a major role for the formation of the different types of ETGs but its impact is not completelly clear, and other simulations are planned to clarify this problem. During my thesis, I also studied the importance of the resolution in the numerical simulations of galaxy mergers. I showed that the number of particles and the size of the computational grid have a predominant role in the final product of the merger. A too low resolution (i.e. too few particles and a coarse grid) can not follow the rapid evolution of the gravitational potential during the merger. In this case, the angular momentum is not as efficiently transfered to the outer parts of the galaxy: the merger remnant keeps thus a strong and regular rotation. At higher resolution, the scattering of the orbit is resolved and the merger remnant may end-up with, under some special initial conditions, a slow rotation and may form a KDC.

Les matériaux composites à matrice céramique CMC, sont généralement formés d’au moins deux matériaux ayant une forte capacité d’adhésion. Ces matériaux sont principalement composés de renforts fibreux assurant la tenue mécanique de la structure et d’une matrice qui permet sa cohésion. Utilisées principalement dans le domaine de l’aéronautique, elles sont reconnues pour leur bonne tenue mécanique, leur réfractarité élevée tout en conservant une densité faible. Par contre, l’inconvénient majeur associé à ces matériaux est l’apparition de fissures qui sont dues soit au procédé de fabrication soit aux sollicitations mécaniques externes.Dans ce travail, une attention toute particulière est consacrée aux composites à matrice auto-cicatrisante dont la principale propriété est l'aptitude à "réparer" les effets de la fissure par formation d'un verre visqueux.Ces verres visqueux se forment au sein de la fissure grâce à l’oxydation des éléments qui constituent la matrice. Selon la température, différents verres peuvent être formés.Leur fonction est de reboucher les fissures de taille micrométrique de façon à ralentir la diffusion de l'oxygène en direction des fibres et éviter leur rupture par oxydation.Cependant, pour des systèmes en rotation rapide tels que les turbines basse pression des moteurs d’avion (pièce étudiée actuellement), on peut s'interroger quant à la mobilisation du verre visqueux cicatrisant dans un système complexe géométriquement et inhomogène du point de vue de la nature des surfaces. Pour approcher le comportement du verre cicatrisant dans un système modèle mais néanmoins réaliste, une approche de modélisation numérique a été entreprise. L'outil numérique utilisé pour cette étude est le code de calcul Thétis développé à l’I2M. Celui-ci est adapté à ce type de simulation puisqu'il permet la modélisation d'écoulements diphasiques incluant des phénomènes physiques complexes tels que le mouillage. Ainsi, l'objectif de ce travail est-il de déterminer les limites d'utilisation de ce type de matériau en fonction des conditions auxquels il est soumis en évaluant la mobilité du verre cicatrisant dans la fissure. / The Ceramic Matrix Composites (CMCs) are generally formed of at least two materials having strong adhesion ability. These materials are mainly composed of fibrous reinforcement which ensures the mechanical resistance of the structure and a matrix which allows its cohesion.Used mainly in aerospace, the CMCs are highly valued for their good mechanical strength, their good refractory properties associated with a low density.However, the major drawback of these materials is cracks formation due to manufacturing process or to external mechanical stresses.In this study, we focus on composite materials having self-healing properties. These materials have the ability to produce healing viscous glasses in presence of oxygen.These viscous glasses are formed in the crack under the influence of oxidation of matrix compounds. Depending on the temperature level, glasses of different natures are formed.Their main role is to reseal the micrometric cracks, to limit oxygen access to the fibers in order to prevent their rupture by oxidation.However, for fast rotating systems such as the low pressure turbine of aircraft engines, we may question about mobilization of such a viscous glass in a system characterized by a complex geometry and chemically inhomogeneous surfaces.Therefore, a numerical approach was undertaken, using "Thetis" software. Developed at I2M, this software allows us modelling two-phase flow in model simplified geometry (reflecting however reality) including complex phenomena such as wetting. Numerical results yield to the determination of operating limitations of CMCs in terms of healing efficiency as a function of external mechanical stresses (rotation) and crack geometry.

L'isolement du graphène a suscité un grand intérêt vers la recherche d’applications potentielles de ce matériau unique et d'autres matériaux bidimensionnels (2D) pour l'électronique, l'optoélectronique, la spintronique et de nombreux autres domaines. Par rapport au graphène, les dichalcogenides de métaux de transition (TMD) 2D offrent l'avantage d'être des semi-conducteurs, ce qui permettrait de les utiliser pour des circuits logiques. Au cours des dix dernières années, de nombreux développements ont déjà été réalisés dans ce domaine où les opportunités et les défis coexistent. Cette thèse présente les résultats de simulations de transport quantique d’une nouvelle structure de dispositif logique à très faible consommation à base de matériaux bidimensionnels : le transistor à effet tunnel à base d’hétérostructures verticales de TMDs 2D. A cause de leur petite taille, ces dispositifs sont intrinsèquement dominés par des effets quantiques. Par conséquent, l’adoption d’une théorie générale du transport s’impose. Le choix se porte ici sur la méthode des fonctions de Green hors équilibre (NEGF), une approche largement utilisée pour la simulation du transport électronique dans les nanostructures. Dans la première partie de cette thèse, les matériaux 2D, leur synthèse et leurs applications sont brièvement introduits. Ensuite, le formalisme NEGF est illustré. Cette méthode est ensuite utilisée pour la simulation de deux structures de transistor à effet tunnel vertical basées sur l’hétérojonction van der Waals de Mos2 et WTe2. La description du système se base sur un modèle de masse effective calibré avec des résultats ab-initio (afin de reproduire la structure de bandes dans l’intervalle d’énergie intéressé par les simulations de transport) et aux mesures expérimentales de mobilité (pour le couplage électron-phonon). Les résultats non seulement démontrent la possibilité d’obtenir une forte pente sous seuil avec ce type de transistors, mais présentent une étude de la physique qui en détermine les performances en fonction de leur géométrie et de l’interaction entre électrons et phonons. Dans la dernière partie, les effets du malignement rotationnel entre les deux couches 2D sont investigués. Expérimentalement, ce type de désordre est difficile à éviter et peut considérablement affecter les performances du transistor. Par le moyen de simulations quantiques précises et d’analyses physiques, cette thèse montre les défis à relever dans la conception des transistors à effet tunnel à base de matériaux 2D performants. / The successful isolation of graphene in 2004 has attracted great interest to search for potential applications of this unique material and other newborn members of the two-dimensional (2D) family in electronics, optoelectronics, spintronics and other fields. Compared to graphene, the 2D transition metal dichalcogenides (TMDs) have the advantage of being semiconductors, which would allow their use for logic devices. In the past ten years, significant developments have been made in this area, where opportunities and challenges co-exist.This thesis presents the results of quantum transport simulations of novel 2D-material-based tunnel field-effect transistors for ultra-low-power digital applications. Due to their size, such devices are intrinsically dominated by quantum effects. This requires the adoption of a fairly general theory of transport, such as the nonequilibrium Green's functions (NEGF) formalism, which is a method extensively used for the simulation of electron transport in nanostructures.In the first part of this thesis, a brief introduction about the 2D materials, their synthesis and applications is presented. Then, the NEGF formalism is concisely reviewed. This approach is applied to the simulation of two different models of vertical tunnel field-effect transistors based on 2D-TMD van der Waal heterojunctions (MoS2 and WTe2). To properly describe the system, a coupled effective mass Hamiltonian has been implemented and carefully calibrated to experimental measurements and density functional theory to reproduce the band structure in the energy range of interest for the simulations.This thesis not only demonstrates the ultra-steep subthreshold slope potentially expected for these devices, but also provides a physical insight into the impact of the transistor geometry on its performances. In the last and more exploratory part of the manuscript, the effect of rotational misalignment within the two layers of the heterostructure is investigated. Experimentally, such a disorder is difficult to avoid, and it can substantially affect the device performances.Through accurate quantum simulations and deep physical analysis, this study sheds light on the design challenges to be addressed for the development of efficient tunnel field-effect transistors based on 2D materials.

L’allègement des structures est actuellement un enjeu industriel majeur. L’utilisation de certains alliages d’aluminium couplés à de nouveaux procédés d’assemblages est une bonne réponse à cette problématique. Le procédé de soudage FSW permet notamment la réalisation d’assemblages multi-matériaux en s’affranchissant des problèmes de fusion. Cette étude, réalisée au sein de l’entreprise TRA-C industrie, s’est intéressée plus particulièrement au cas du soudage FSW hétérogène d’alliages d’aluminium des séries 2xxx (Al-Cu-Mg-Ag) et 7xxx (Al-Zn-Mg), dans une large gamme de paramètres industriels. Les caractérisations des assemblages ont pu mettre en avant de fortes hétérogénéités microstructurales et mécaniques au travers des cordons. Ainsi la présence d’une zone faible, adoucie dans la ZAT du côté de l’alliage 7xxx, amène à favoriser la rupture en traction. Une évolution métallurgique importante déclenchée par le cycle thermique généré explique principalement ce phénomène. D’autre part, cette étude expérimentale a été couplée à des travaux de simulation numérique du procédé en configuration homogène. Le modèle éléments finis intègre, pour la première fois, la géométrie réelle et complexe (filetage, facettes, …) de l’outil de soudage utilisé expérimentalement et est couplé à l’utilisation d’une technique de maillage mobile. Cette technique numérique a permis de s’affranchir intégralement des distorsions de mailles conséquentes souvent rencontrées, ainsi que de décrire fidèlement les effets thermomécaniques engendrés par l’outil de soudage. Une étude de sensibilité aux paramètres de soudage ainsi qu’aux matériaux soudés a démontré une excellente corrélation entre les cinétiques thermiques expérimentales et numériques tout en démontrant l’aspect prédictif du modèle. / The lightweight structures optimisation is one of the main topics in transportation industry. It can be achieved by optimisation of materials as well as induced assembly process. As a solid-state process, Friction Stir Welding (FSW) allows to produce dissimilar materials joining while avoiding fusion defects. This work focused on the dissimilar welding of aluminium alloys from 2xxx (Al-Cu-Mg-Ag) and 7xxx (Al-Zn-Mg) series in an industrial context. Joints characterizations were conducted at multiple scales to understand parameters impact on material flow, joint morphology, and performances. They have shown large heterogeneities in the microstructure as well as the global and local mechanical behaviour. Whatever the welding parameters used, good mechanical performance has been reached. A specific softened zone has been detected in the 7xxx alloy’s HAZ which caused fracture during transverse tensile test. Significant metallurgical evolution induced by thermal cycles mainly explains these phenomena.On the other hand, simulation works were also conducted to simulate the welding process in similar material configuration. The finite elements model integrates, for the first time, the real and complex tool design (thread, flats…). Complex geometry can be used by coupling with a specific moving mesh technique. This numerical development completely overcomes the consequent mesh distortion often encountered in FSW simulation. The current model presents good sensitivity and robustness for several welding conditions and materials. It also demonstrates an excellent correlation between experimental and numerical thermal fields while revealing the predictive aspect of the model.

Les interactions entre les galaxies et leur environnement à grande échelle constituent une pierre angulaire de la théorie de formation des structures. Cependant, derrière cette idée se cache une longue liste de processus. En effet, les galaxies grandissent au sein d'intenses courants de gaz à haut redshift et acquièrent du moment angulaire grâce aux couples de marée exercés par les grandes échelles, tout en fusionnant avec d'autres galaxies. Aucun de ces mécanismes n'est indépendant de la distribution de matière à grande échelle, fortement anisotrope, constituée d'un réseau de vides délimités par des murs, eux-mêmes segmentés par des filaments de haute densité dans lesquels la matière s'écoule en direction des noeuds compacts. La géométrie d'une telle structure influe fortement sur les écoulements cosmiques, notamment les flux de gaz et de galaxies en migration vers les noeuds. Cela modifie en conséquence la distribution et les propriétés des galaxies. Cette thèse explore certaines de ces corrélations entre les échelles galactiques et extra-galactiques dans la simulation cosmologique hydrodynamique HorizonAGN. Tout d'abord, j'analyse et quantifie l'orientation du moment angulaire des galaxies puis montre que les fusions majeures comme mineures peuvent provoquer d'importantes bascules de ce dernier. J'étudie par la suite la distribution des galaxies satellites autour de leur hôte plus massive et mets à jour des corrélations avec la direction du filament voisin ainsi qu'avec le plan de leur galaxie centrale. Enfin, j'étudie l'impact des fusions galactiques et de l'accrétion diffuse sur la taille et sur la forme des galaxies lors du pic cosmique de formation stellaire. / Interactions between galaxies and their larger scale environment is a central tenet of structure formation theory. However, this idea encompasses a long list of processes. Indeed, galaxies grow from intense gas inflows at high-redshift and acquire spin through tidal torques on larger scales while merging with one another at the same time. None of these processes is independent from the large scale distribution of matter, strikingly anisotropic and consisting of an extended network of voids delimited by sheets, themselves segmented by high-density filaments within which matter flows towards compact nodes where they intersect. Such a structure imprints its geometry on cosmic flows, especially gas inflows and drifting galaxies, ultimately shaping the distribution of galactic properties.This work investigates some of these correlations between galactic and extra-galactic scales in the hydrodynamical cosmological simulation Horizon-AGN. First, I analyze and quantify the spin orientations of galaxies and show that both minor and major mergers can drive important spin swings. I further investigate the distribution of satellite galaxies around a more massive host and find it to be also fairly correlated to the direction of the surrounding filament. However, this trend is in competition with a tendency for satellites to align their orbits in the central galactic plane especially in the inner parts of the halo.Finally, I study the impact of mergers and diffuse accretion on the size and shape of galaxies at the peak of cosmic star formation history. The main results statistically support the gas-poor minor merger scenario to interpret the loss of compacity of spheroids at low-z.