Cette étude a été effectuée à la suite du développement de lois et d'outils applicables à la modélisation numérique du comportement élastoviscoplastique de matériaux cristallins : des lois de comportement de monocristaux, des lois de transition d'échelle pour les modèles d'homogénéisation, un code de calcul Eléments Finis adapté au calcul parallèle et un programme de génération de microstructures polycristallines 3D. Disposant de ces éléments, nous avons étudié le comportement de polycristaux 3D en petites déformations, aux échelles macroscopique, intergranulaire et intragranulaire.<br />Le milieu polycristallin est décrit par des polyèdres de Voronoï, donnés sous la forme d'un fichier de voxels (L. Decker, D. Jeulin, ENSMP). L'implémentation de la méthode FETI dans le code EF ZéBuLoN (F. Feyel, S. Quilici, ENSMP-ONERA) permet la résolution en parallèle de problèmes à très grand nombre de degrés de liberté. Ainsi nous avons accès à un nombre illimité de réalisations de microstructures et nous pouvons faire figurer suffisamment d'éléments dans un maillage pour que soit possible la description des champs intragranulaires dans un polycristal 3D.<br />Pour commencer nous montrons les spécificités de notre approche par rapport aux travaux de modélisation de la plasticité cristalline. La première partie de l'exploitation des outils a consisté à analyser la sensibilité des résultats aux données de la modélisation (nombre d'éléments, nombre de grains, réalisation de microstructure . . . ) afin d'établir une configuration de calcul valable pour des simulations sur un Volume Elémentaire Représentatif de polycristal isotrope. En seconde partie nous mettons en évidence l'hétérogénéité de comportement inter- et intragranulaire et l'apport de la méthode par rapport à une démarche autocohérente. Ceci est complété par une analyse de l'influence des joints de grain et des conditions aux limites sur la réponse d'un essai en traction simple, aux différentes échelles de la modélisation. Nous caractérisons ainsi un effet local et un effet moyen pour tous les grains, en fonction de la distance à un joint ou à un bord. En annexe sont donnés les résultats de simulations obtenus avec un modèle non-local des milieux de Cosserat (S. Forest, ENSMP) qui ont permis de quantifier un effet de taille de grain sur le comportement effectif de polycristaux.

Ce travail concerne l'élaboration de couches minces de dioxyde d'étain par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), en vue de réaliser l'élément sensible pour des capteurs de gaz. Une partie de cette étude a été consacrée à la conception et à la réalisation de l'installation de CVD, et les paramètres de dépôt (température, pression, durée) ainsi que les conditions de recuit (température, durée) ont été étudiées de manière systématique afin d'obtenir les meilleures performances électriques du point de vue de la détection d'espèces gazeuses. Une caractérisation détaillée de la microstructure et de la composition des couches de SnO₂ a été entreprise par différentes techniques d'analyse telles que la diffraction des rayons X sous incidence rasante, la microscopie électronique à balayage et en transmission, la réflectométrie X ou encore la spectroscopie ESCA. Il a ainsi été possible, en ajustant les conditions de fabrication, de contrôler la texture du dépôt, les tailles de grains (50 à 300 A), de même que la stœchiométrie. Les performances électriques des couches de SnO₂ ont été évaluées sur un banc de mesure. Il s'agit essentiellement de la conductivité sous air et de la sensibilité sous différents gaz tests (éthanol, méthane, monoxyde de carbone). Les corrélations ont pu être établies entre les conditions d'élaboration des couches, leurs propriétés structurales, et leurs performances électriques. Enfin, au niveau de l'interprétation des résultats, un modèle granulaire a été propose afin d'expliquer les très grandes variations de conductivité et de sensibilité observées en fonction des conditions de fabrication des couches (épaisseur, température de dépôt, conditions de recuit).

Nous avons étudié l'influence de certains paramètres sur la conductance électrique du dioxyde d'étain polycristallin, propriété utilisée pour la détection des gaz. Une première partie est consacrée a l'étude de l'influence du traitement thermique sur les caractéristiques morphologiques du matériau (taille des grains, porosité...) Et sur ses performances électriques en présence de gaz varies (air, méthane, dioxyde de carbone...). Les résultats obtenus montrent l'influence des conditions de préparation du matériau sur ses performances électriques (sélectivité, stabilité...) Et toute l'importance du contrôle de ces traitements préalables (mise en forme, traitement thermique...). Une seconde partie est consacrée à la compréhension des mécanismes physico-chimiques a l'origine des performances électriques. Les résultats expérimentaux obtenus (chromatographie, thermogravimétrie, calorimétrie, conductance électrique), couples a une modélisation cinétique mathématique des phénomènes nous permettent d'envisager certaines hypothèses préférentiellement a d'autres au sujet des mécanismes qui provoquent les variations de conductance électrique.

Les méthodes de calcul en fatigue à grande durée de vie sont en cours de développement depuis des décennies et sont utilisées par les ingénieurs pour dimensionner les structures. Généralement, ces méthodes se basent sur la mise en équations de quantités mécaniques calculées à l'échelle macroscopique ou mésoscopique. Les critères de fatigue multiaxiale reposent généralement sur des hypothèses de changement d'échelle dont l'objectif est d'accéder à l'état de contraintes ou de déformations à l'échelle du grain. Dans les approches de type plan critique (Dang Van, Papadopoulos, Morel), l'amorçage d'une fissure de fatigue est considéré comme piloté par une quantité mécanique liée à une orientation matérielle particulière (plan critique). Si ces phénomènes sont bien établis dans le cas des chargements uniaxiaux, la nature des mécanismes liés à l'activation des systèmes de glissement, à la multiplicité du glissement et aux différents sites préférentiels d'amorçage de fissures sous chargements complexes reste peu connue.Afin de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement en fatigue multiaxiale, les techniques d'analyse et de caractérisation de l'activité plastique (activation des systèmes de glissements, bandes de glissement persistantes) et d'observation de l'endommagement par fatigue ont été mises en place en se basant principalement sur des observations MEB et analyses EBSD. Ces investigations ont permis de mettre en lumière les effets des chargements non proportionnels sur la multiplicité du glissement sur du cuivre pur OFHC. L'étude statistique des sites préférentiels d'amorçage de fissures montre que les grains à glissement multiple présentent une forte probabilité d'amorçage de fissures, surtout sous les chargements non proportionnels. Nous avons également mis en évidence le rôle des joints de grains et des joints de macle sur le développement de la plasticité à l'échelle de la microstructure. Les résultats expérimentaux sont confrontés à ceux du calcul éléments finis (EF) en plasticité polycristalline sur des microstructures synthétiques 3D semi-périodiques. L'application du critère de Dang Van à l'échelle mésoscopique (le grain) montre une forte variabilité de la contrainte hydrostatique et du cisaillement. Cette variabilité est plus importante pour un modèle de comportement cristallin élastique anisotrope. Le rôle de la plasticité cristalline se révèle secondaire. Ces analyses permettent de remettre en perspective les hypothèses usuelles de changement d'échelle utilisées en fatigue multiaxiale. Enfin, une méthode basée sur la statistique des valeurs extrêmes est proposée pour le dépouillement des calculs EF sur agrégats. Cette analyse a été appliquée sur la contrainte équivalente associée au critère de fatigue de Dang Van pour les calculs d'agrégats polycristallins avec différentes morphologies et orientations des grains. Les effets de la surface libre, du type de chargement et du modèle de comportement mécanique des grains ont été analysés. Les résultats offrent des perspectives intéressantes sur la modélisation de l'amorçage des fissures en fatigue multiaxiale des matériaux et des structures avec une prise en compte de la microstructure.

Ce travail a pour objectifs d'apporter des connaissances au niveau des propriétés électriques de transistors en couches minces (TFTs) à base de silicium polymorphe (pm-Si :H), ainsi qu'au niveau de la structure du matériau polymorphe. Nous nous sommes également intéressé à une nouvelle méthode de cristallisation d'une couche de silicium amorphe par interférométrie laser qui présente un fort potentiel pour le développement de matrice active en silicium polycristallin de grandes dimensions. Nous avons d'abord mis en évidence un courant OFF plus faible dans les TFTs en pm-Si :H que dans les TFTs en silicium microcristallin (µc-Si :H). Nos études ont également montré que les TFTs en pm-Si :H ne sont pas, ou très peu, sujet à la contamination par l'oxygène lors du procédé de fabrication, problème rencontré dans la fabrication des TFTs en µc-Si :H. Nous avons ensuite étudié la dérive de la tension de seuil lorsque les TFTs sont stressés électriquement. Nous avons mis en évidence des résultats similaires à ceux observer dans les TFTs en silicium amorphe (a-Si :H), à savoir que la création de défauts dans la couche active est le mécanisme responsable de la dérive de VT pour des tensions de grille faibles et des temps de stress courts, alors que le piégeage de charges dans le nitrure de grille est responsable de la dérive de VT lorsque les tensions de grille sont élevées et les temps de stress longs. Il s'est avéré que les TFTs en pm-Si :H sont plus stables que les TFTs en a-Si :H. Dans un second temps, les analyses structurales de films minces de pm-Si :H ont montré la présence de cristallites de quelques nanomètres dans la couche. De même, nous avons isolé le signal de diffraction de rayons X d'une telle couche et mis en évidence une organisation structurale à plus grande distance que pour le silicium amorphe, ce qui est cohérent avec les résultats des stress électriques. Pour finir, nous avons étudié une méthode de cristallisation du a-Si par interférences laser 4 faisceaux. Nous avons observé une structuration périodique de la couche dans un système cubique face centrée. Les observations TEM ont montré que la couche était bien cristallisée. Les observations MEB suite à la révélation des joints de grains ont montré ce qu'il semble être un réseau de germes de µc-SiH avec un pas de 652 nm et la présence continue de grains et de joints de grains entre ces germes.

Ce travail a porté sur la préparation et l'étude de matériaux magnétiques fonctionnels en couches dans l'optique d'une utilisation dans des micro-systèmes magnétiques. Deux systèmes de matériaux ont été étudiés: le FePt, qui est un matériau magnétique dur, et le FeRh, qui a une transition antiferromagnétique-ferromagnétique proche de la température ambiante. Dans le cas du FePt, les influences de la concentration en Pt, de l'ajout de Cu et des traitements thermiques, sur la transition de la phase A1 désordonnée, de faible anisotropie, à la phase L10 ordonnée, de forte anisotropie, ont été étudiées. Les dépendances en température de l'aimantation spontanée et du champ d'anisotropie de la phase L10 ont été déduites de l'analyse des courbes d'aimantation. Le pic d'Hopkinson qui est lié aux processus d'aimantation de la phase L10 à l'approche de la température de Curie a été modélisé. Dans le cas du FeRh, les influences de la concentration en Rh et des traitements thermiques ont été étudiées. Une analyse thermodynamique des mesures d'aimantation et des mesures de calorimétrie différentielle a été effectuée. Enfin, des couches hybrides de FePt-FeRh ont été déposées sur des substrats pré-gravés, pour démontrer la potentialité d'utiliser le FeRh pour contrôler thermiquement le champ de fuite généré par le FePt. / The aim of this work was the preparation and study of thin films of functional magnetic materials of interest for use in magnetic micro-systems. Two material systems have been studied: FePt, which is a hard magnetic material, and FeRh, which has an antiferromagnetic - ferromagnetic transition near room temperature. For the case of FePt, the influence of the film composition, the addition of Cu, and the annealing conditions, on the transition from the disordered, low anisotropy A1 phase to the ordered, high anisotropy L10 phase has been studied. The temperature dependence of the spontaneous magnetisation and the anisotropy field of the L10 phase were deduced from an analysis of magnetisation curves. The Hopkinson peak which characterises the susceptibility of the demagnetized L10 phase close to its Curie temperature has been modelled. In the case of FeRh, the influence of film composition and annealing conditions on the antiferromagnetic - ferromagnetic transition was studied. A thermodynamic analysis of magnetisation measurements and differential calorimetry measurements has been carried out. Finally, hybrid FePt-FeRh films have been deposited on patterned wafers, to demonstrate the potential use of FeRh for the thermal control of the stray field generated by the FePt.

Une large investigation sur l’influence de plusieurs défauts métallurgiques sur les processus de diffusion et de piégeage de l’hydrogène a été conduite sur le nickel. Ce travail a été réalisé selon deux orientations scientifiques. Une première approche a consisté à évaluer l’impact des défauts intrinsèques et plus particulièrement les joints de grains et les dislocations géométriquement nécessaires sur les modes de transport et de ségrégation de l’hydrogène. Le couplage de caractérisations microstructurales avec les essais de perméation électrochimiques et de thermo-désorption a permis d’établir que les joints de grains présentant une structure ordonnée appelés « spéciaux » représentent des zones privilégiées à la ségrégation de l’hydrogène. Une seconde catégorie de joints de grains dits « généraux » ou « random » présentant un excès de volume important constituent des promoteurs à la diffusion de l’hydrogène. Ces derniers sont la principale source des phénomènes de courts-circuits de diffusion relatés dans les matériaux cubiques à faces centrées. La seconde approche de cette étude a consisté en l’étude de l’interaction de l’hydrogène avec les hétérogénéités de déformation plastique. Les essais de perméation électrochimique réalisés sur des microstructures obtenues par déformation ont montré qu’en traction monotone, les cellules équiaxes et les murs de dislocations représentent des pièges pour l’hydrogène. Celles-ci ralentissent son transport. Ce dernier est essentiellement assuré par le mécanisme de diffusion interstitielle. Par ailleurs, pour la microstructure de déformation résultant de l’essai en fatigue, une accélération de la diffusivité de l’hydrogène a été enregistrée ce qui suggère qu’un phénomène comparable au court-circuit de diffusion intervient dans le transport de l’hydrogène. Concernant les deux approches, les résultats obtenus suggèrent une contribution de l’hydrogène dans la formation de lacunes. / A thorough investigation on the influence of several metallurgical defects on the hydrogen diffusion and trapping was conducted on nickel. This work was conducted towards two scientific orientations. A first approach was to assess the impact of intrinsic defects, especially grain boundaries and geometrically necessary dislocations on the hydrogen transport and segregation mechanisms. Combining microstructural characterizations with electrochemical permeation tests and thermal desorption spectroscopy, it has established that the grain boundaries with ordered structure called "special grain boundaries" are preferential areas for hydrogen segregation. On the other hand, a second category of grain boundaries called "general" or "random" with high free volume and disordered structure are promoters for hydrogen diffusion, and they represent the main sources of the phenomena short-circuit diffusion reported in the face-centered cubic materials. The second approach of this work consisted in the study of the interaction of hydrogen with the plastic deformation heterogeneities. The electrochemical permeation tests performed on microstructures obtained by deformation showed that for the traction monotonous, the equiaxed cells and walls of dislocations are the potential traps for hydrogen and they slow its transport, this latter is mainly provided by the interstitial diffusion mechanism. In addition, for fatigue microstructure, rapid diffusivity of hydrogen was recorded, and suggesting that a phenomenon similar to short-circuit diffusion is involved in the transport of hydrogen. On two approaches, the results suggest a contribution of hydrogen in the formation of vacancies

Les microgénérateurs thermoélectriques planaires sont de nouvelles sources d'énergie pour l'électronique portable. Nous avons optimisé leur géométrie à l'aide d'un modèle analytique et numérique. La fabrication d'un générateur utilisant comme matériau actif du silicium est également présentée. L'accès à la conductivité thermique est essentiel pour l'ingénierie des matériaux thermoélectriques utilisés dans ces microsystèmes. Le potentiel des méthodes 3omega et Völklein à mesurer cette grandeur sur des couches minces est étudié expérimentalement et par simulations numériques. Le transfert de chaleur entre les microsystèmes et leur environement est étudié par la méthode Völklein. Le facteur de mérite de couches de silicium polycristallin bien qu'améliorés par un facteur trois en diminuant la taille de grains reste faible. Les propriétés électriques de multicouches à base de PbTe ouvrent des perspectives intéressantes pour leur intégration dans les microsystèmes.

L'objectif de ce travail de thèse est l'élaboration du silicium polycristallin en phase liquide, sur substrat de verre borosilicate, en utilisant l'irradiation par laser continu de forte puissance d'un film de silicium amorphe. Des simulations numériques modélisant l'interaction laser-silicium amorphe ont été effectuées grâce à un modèle que nous avons développé sur l'outil COMSOL. Nous avons ainsi pu suivre l'évolution des transferts thermiques dans les différentes structures Si/verre irradiées par laser et ainsi pu évaluer l'impact des paramètres expérimentaux tels que la vitesse de balayage, la puissance du laser, la température du substrat sur les seuils de transition de phase du Si amorphe (fusion, cristallisation, évaporation). Ces résultats de simulation ont été confrontés à des données réelles obtenues en réalisant différentes expériences d'irradiation de films Si amorphe. Les résultats de cette comparaison ont été largement discutés. Dans une deuxième partie, nous avons étudié les propriétés structurales et morphologiques de films Si polycristallin obtenus par l'irradiation laser de films Si amorphe. En particulier, nous avons mis en évidence les effets de la présence d'impuretés tels que l'hydrogène ou l'argon présent dans les couches Si amorphe préalablement au traitement laser. Nous avons également montré que la croissance des cristaux silicium s'opère par épitaxie à partir d'un effet de gradient thermique latéral et longitudinal, produit respectivement par le profil énergétique du faisceau laser et la diffusion thermique par conduction, et par convection thermique dans la direction de balayage. L'optimisation des conditions opératoires nous a permis de réaliser des films Si polycristallin à larges grains, jusqu'à plusieurs centaines de µm de long sur plusieurs dizaines de µm de large. Ces structures sont très intéressantes pour des applications en électronique et en photovoltaïque.

La diffraction des rayons X apparait comme une modalité prometteuse pour l'inspection non invasive de bagages. Par comparaison aux techniques traditionnelles d'imagerie par transmission, cette technique permet de révéler davantage d'informations caractéristiques sur les matériaux, comme les distances inter-réticulaires pour les matériaux cristallins ou la fonction d'interférence moléculaire pour les matériaux amorphes. La méthode de diffraction par énergie dispersive (EDXRD), qui travaille à angle fixe avec un faisceau polychromatique et un détecteur résolu en énergie, est plus particulièrement adaptée à la problématique de contrôle de bagages, car elle permet d'envisager une architecture parallélisée pour imager un bagage complet en un temps raisonnable. Les travaux proposés dans cette thèse ont donc pour but d'étudier un système EDXRD utilisant un détecteur spectrométrique CdZnTe multi pixels pour l'identification des matériaux illicites dans les bagages. Une première étape a consisté à prendre en main cette technique à la fois expérimentalement avec un banc de diffraction mis à disposition et théoriquement par le biais du développement d'un outil de simulation élaboré. La confrontation entre l'expérimentation et la simulation a permis de bien comprendre la physique d'un tel système et de mieux analyser ses faiblesses pour pouvoir les corriger. En nous appuyant sur ces deux outils, nous avons ensuite étudié et mis en oeuvre de nouveaux concepts pour améliorer les performances du système EDXRD, en termes de résolution, d'intensité et de stabilité des pics de diffraction. Ainsi, une architecture novatrice, s'appuyant sur un traitement des signaux transitoires délivrés par les détecteurs CdZnTe, est proposée afin d'améliorer le compromis entre la résolution des pics de diffraction et leur intensité. Cette architecture est basée sur la sur-pixellisation du détecteur par la méthode de localisation barycentrique et sur une adaptation géométrique du système collimateur/détecteur. Enfin, le problème d'instabilité des pics de diffraction, due à l'effet d'orientation des grains des matériaux cristallins, est également traité.