L'aéronautique, dans ses efforts pour un avion plus vert, tend à devenir plus électrique. Cependant dans ce passage au plus électrique, quelques actionneurs de l'avion ainsi que leurs électroniques associées se heurtent à un verrou technologique lié à la haute température (200°C). Dans ce contexte, ce mémoire présente des travaux qui contribuent à lever ce verrou technologique. Nous avons montré que le convertisseur d'électronique de puissance, désigné par onduleur, a été conçu pour répondre à notre besoin avec le composant le plus fiable et le plus mature, le JFET deux canaux de la société SICED INFINEON en carbure de silicium (ou SiC). Pour mieux cerner le fonctionnement du JFET SiC deux canaux et valider ultérieurement son modèle, nous avons effectué des caractérisations électriques de ses comportements statique et dynamique sur une plage de température importante allant de -40°C à +180°C. Nous avons montré et décrit de façon fine, en particulier à 27°C, les phases de commutation du composant JFET en mettant en avant le rôle important des couplages capacitifs (Cgd, Cds et Cgs). Un modèle représentant ses comportements statique et dynamique a été présenté et validé à 27°C. Nous avons ensuite minimisé les effets de l'Interaction Puissance Commande IPC due à Cgd au niveau du JFET fonctionnant en mode roue libre (phénomène de Punch-through à la mise en conduction et possible remise en conduction au blocage sont à considérer). Pour ce faire nous avons étudié et comparé trois circuits d'attaques de grille, et nous avons montré le rôle de l'impédance de grille (RG, lG) vis-à-vis de l'IPC et de l'optimisation des circuits d'attaque de grille. Enfin, nous avons présenté la problématique liée à la stabilité du bus continu à haute température (200°C) et à haute tension (540V). Une solution de stabilisation du bus DC simple et efficace a été présentée / The aircraft must become more electric in order to be greener. But in this transition to the more electric aircraft, some actuators and their associated electronics are facing a technological barrier related to the high temperature (200°C). In this context, this thesis presents works that contributes to raising the technological barrier. We showed that the power electronic converter, called inverter, was designed to meet our needs with the more reliable and mature component, the silicon carbide (or SiC) JFET with two-channel manufactured by SICED INFINEON. To better understand the way to work of the SiC JFET with two channels and subsequently validate its model, we performed electrical characterization of its static and dynamic behavior on a wide temperature range from -40°C to +180°C. We showed and described precisely, especially at 27°C, the phases of JFET switching; we highlighted the important role of capacitive coupling (Cgd, Cds et Cgs). A model representing its static and dynamic behavior was presented and validated at 27°C. We then minimized the effects of the Drain-to-Gate Interaction DGI due to Cgd concerning the JFET operating in freewheeling mode (punch-through phenomenon at turn-on and a risk of a leg short-circuit at turn-off have to be considered). To do this, we studied and compared three specific gate circuits, and we showed the role of the gate impedance (RG, lG) to minimize the DGI and optimize the specific gate circuits. Finally, we presented the issue related to the stability of the DC bus at high temperature (200°C) and high voltage (540V). A simple and effectiveness solution of stabilizing the DC bus was presented

Malgré ses propriétés remarquables, le développement de l'électronique basée sur 3C-SiC souffre du manque de substrats massifs. Ce fait résulte de l'absence d'un procédé d'élaboration adapté à ce matériau. Ce travail est dédié à l'étude de la croissance cristalline de 3C-SiC en solution à haute température. Dans un premier temps, le système de croissance a été modélisé en couplant les transferts de chaleur aux mouvements de convection dans la zone de liquide. Nous démontrons que les convections de type Marangoni et d'origine électromagnétique doivent être évitées. Nous proposons une géométrie où la convection autour du cristal est liée uniquement à la rotation du cristal. Nous avons démontré pour la première fois des cristaux de 3C-SiC de taille compatible avec la réalisation de dispositifs électroniques. Le couplage entre les simulations et les expériences montre qu'il existe trois paramètres fondamentaux pour envisager la croissance de 3C-SiC en solution. Ces paramètres sont le contrôle des convections, le contrôle de la température et l'orientation du germe de départ. Nous démontrons aussi le dopage in-situ des cristaux. Des dopages n et p aussi élevés que 1020 at.cm-3 peuvent ainsi être obtenus. La qualité structurale a aussi été évaluée par différentes techniques de caractérisations : spectroscopie Raman, observations TEM, microscope optique et de biréfringence. Les cristaux sont de haute qualité structurale, la densité de fautes d'empilement est inférieure à 100 cm-1.

Cette thèse relate une recherche-action en didactique de l'anglais de spécialité en lien avec les environnements d'apprentissage multimédias. Le versant “recherche” fait appel aux disciplines connexes de la philosophie de l'éducation, de la psychologie de l'apprentissage, de la linguistique appliquée et des sciences cognitives pour forger des outils théoriques. Nous revisitons les modèles ternaires de la situation pédagogique, d'abord pour y redéfinir la place du processus d'enseignement puis pour y introduire les instruments d'enseignement, ce qui nous amène à proposer un modèle nouveau, le carré pédagogique. Les concepts de médiatisation et de médiation sont redéfinis à la lumière de la théorie des situations d'activités instrumentées de Rabardel. Les conceptions et approches de la didactique des langues étrangères de la seconde moitié du XXe siècle sont examinées du point de vue de la situation pédagogique et de la place qu'elles font aux instruments didactiques. Le versant “action” de la recherche conduit au développement d'un didacticiel multimédia dont on fait l'hypothèse qu'il amènera une amélioration de la motivation et des stratégies d'apprentissage de la population cible. On formule une deuxième hypothèse selon laquelle la valeur de la médiation exercée par l'instrument multimédia est fonction de l'action de médiatisation exercée par l'enseignant. Le dispositif a fait l'objet d'une expérimentation in situ pendant six ans, période au cours de laquelle des données ont été recueillies a) par enquêtes et questionnaires, b) par enregistrement informatique de la trace du parcours des utilisateurs et c) par enregistrement audio d'interactions verbales. Les données des types a) et b) ont été analysées par l'analyse factorielle de correspondances et celles de type c) par les méthodes de l'analyse du discours.

Depuis les premiers travaux publiés en 2004, le graphène est obtenu par trois principales techniques, l'exfoliation, le dépôt chimique en phase vapeur et la graphitisation du carbure de silicium. Seules les deux dernières sont adaptées aux technologies standards de la microélectronique. Une autre méthode est étudiée dans ce travail, consistant à faire croître le graphène par épitaxie par jets moléculaires. Le SiC a été utilisé comme substrat du fait du faible désaccord de maille avec le graphène et de sa compatibilité avec les processus technologiques. La croissance de graphène a été obtenue avec succès sur les deux faces du SiC, à partir d'une source de carbone solide. La gamme de température utilisable est restreinte du fait de l'amorphisation ou de la graphitisation. La structure du graphène dépend fortement de la face du SiC considérée, de façon analogue à ce qui est obtenu par graphitisation (plan d'interface riche en C et empilement graphite sur la face Si, absence de couche d'interface et plans tournés et découplés électroniquement sur la face C). Les bandes de valence ont été mesurées en spectroscopie de photoélectrons résolue angulairement, et présentent la dépendance linéaire caractéristique du graphène aux points de Dirac. Cependant, la présence de défauts dans le matériau induit une forte réduction de la mobilité électronique. Cette dernière a été améliorée en réalisant la croissance épitaxiale sous un flux de Si externe, à plus haute température.

Ce mémoire d'habilitation à diriger des recherches présente le travail de recherche que j'ai effectué depuis 1999 au CEA Cadarache sur la modélisation à l'échelle atomique de différents matériaux nucléaires non métalliques impliqués dans le cycle du combustible : matériaux hôtes pour radioéléments issus des déchets nucléaires (apatites), matériaux combustibles (en particulier dioxyde d'uranium) et matériaux céramiques de gainage (carbure de silicium). Il s'agit de matériaux complexes à la limite des possibilités de la modélisation parce qu'ils contiennent des atomes lourds (lanthanides ou actinides), qu'ils présentent des structures ou des compositions chimiques complexes et/ou qu'ils subissent les effets de l'irradiation : création de défauts ponctuels et de produits de fission, amorphisation... L'objectif de mes études est d'obtenir une meilleure compréhension de la physique et de la chimie des processus élémentaires impliqués grâce à la modélisation à l'échelle atomique et à son couplage avec la modélisation aux échelles supérieures et les études expérimentales. Ce travail s'organise autour de deux axes principaux : d'une part les développements méthodologiques, l'adaptation et l'implémentation de méthodes et la validation des approximations utilisées ; d'autre part l'application de ces méthodes de modélisation à l'étude des matériaux nucléaires sous irradiation. Ce document contient une synthèse des études réalisées, les perspectives de recherche, un CV détaillé, ainsi qu'une liste de publications et de communications.

For roughly fifteen years the military has sought to use the properties of ceramics for armor applications. Current high-performance ceramics have extremely high compressive strengths and low densities. One ceramic that has been shown to be highly resistant under ballistic impact is silicon carbide (SiC). It has been found that even within the silicon carbides, those manufactured by certain methods and those with certain microstructural properties have advantages over others. In order to understand the microstructural reasons behind variations in ballistic properties, plate impact tests were conducted on two sintered silicon carbides with slightly different microstructures. Two variations of a silicon carbide with the trade name Hexoloy SA were obtained through Saint Gobain. Regular Hexoloy (RH) and Enhanced Hexoloy (EH) are pressureless sintered products having exactly the same chemistries. EH went through additional powder processing prior to sintering, producing a final product with a slightly different morphology than RH. Samples of each were characterized microstructurally including morphology, density, elastic wavespeeds, microhardness, fracture toughness, and flexure strength. The characterization revealed differences in porosity distribution and flexure strength. It was determined that the porosity distribution in EH had fewer large pores leading to an 18% increase in flexural strength over that for RH. The focus of the mechanics of materials community concerning dynamic material behavior is to pin down what exactly is happening microstructurally during ballistic events. Several studies have been conducted where material properties of one ceramic type are varied and the dynamic behavior is tested and analyzed. Usually, from one variation to the next, several properties are different making it hard to isolate the effect of each. For this study, the only difference in the materials was porosity distribution. Plate impact experiments were conducted at the Army Research Laboratory (ARL) using the gas gun facilities within the Impact Physics Branch. A VISAR was utilized to measure free surface velocities. Tests were performed on each material to determine the Hugoniot Elastic Limit (HEL) and spall strength. Spall strength was measured as a function of impact stress, and pulse duration.

Unlike the binary compound, where the simple charge transfer between cation and anion, or the ternary compound, which is composed of two binary compound semiconductors with a common cation or anion and whose electronic structures usually can be derived from those of the two constituent binary compounds with some modifications, the electronic property of quaternary compound is quiet complicated and interesting because of its complex charge transfer due to the electronegativity differences of its composed atoms. In this thesis, the first-principles pseudofunction (PSF) method and the first-principles molecular dynamics (MD) method are used to investigate the complicated variations of the electronic properties of three kinds of quaternary compounds, namely titanates [Ba1-xSrxTiO3 (BSTO) and Pb1-xSrxTiO3 (PSTO)], manganites [La1-xSrxMnO3 (LSMO) and La1-xCaxMnO3 (LCMO)], and (SiC)1-x(AlN)x. First, for BSTO and PSTO titanates, the first-principles calculation results and O K-edge x-ray absorption near edge structure (XANES) measurements are used to study their electronic structures. Because the valence band maximum (VBM) and conduction band minimum (CBM) are composed of O-p and Ti-d partial densities of states (PDOS), respectively, the bowing upward of calculated band gaps are related to the bowing downward of the Ti-O bond lengths for both of BSTO and PSTO, though for PSTO Pb-p PDOS also contributes to states near CBM. The substitutions of Sr by Ba in BSTO and by Pb in PSTO are quiet different, and it is because Pb atom has two extra valence electrons and a larger electronegativity than other cations. Second, we provide a new interpretation of the insulator-like to metal-like and anti-ferromagnetic to ferromagnetic transitions with Sr and Ca doping concentrations of La1-xSrxMnO3 and La1-xCaxMnO3, which is based on the variations of the Sr and Ca induced delocalization of the Mn majority-spin eg subband and the lowering of the Mn minority-spin t2g subband down to the Fermi energy (EF). Moreover, this study also suggests that the magnetic properties of manganites result from a detailed balancing between the O-mediated super-exchange mechanism that favors anti-ferromagnetism and the delocalized-state mediated Mn-spin coupling that favors ferromagnetism. Third, for (SiC)1-x(AlN)x superlattice, where SiC and AlN layers arranged alternatively along a common c-axis, our analysis shows subtle charge transfer among Si, C, Al and N ions and the band gap is not linear but bows downwards with respect to x. The calculated results suggest that the direct band gap of (SiC)1-x(AlN)x can be tuned over a wide range from 2.97eV to 6.28eV. Thus, (SiC)1-x(AlN)x is potentially useful for optoelectronic applications. It can be inferred from the calculated electronic properties of the above three kinds of quaternary compounds, the subtle charge transfer is because of differing electronegativities of constituent atoms, especially cations, and the relative valence state of the dopant with respect to the host cation. The subtle charge transfer also influences the magnetic properties of these hole-doped manganites. Moreover, the quaternary compounds have four kinds of atoms with different electronegativities and relative orbital energies, the complicated competition and balancing between the occupation of orbitals and charge transfer render the electronic properties of these material unable to be predicted from constituent binary oxides/semiconductors or even ternary compounds. For example, even though Pb substitutes Sr only in Pb1-xSrxTiO3, the effective charges of Ti and O are significantly altered.

Electromagnetic wave absorbing properties of SiC-based and alumina ceramic woven fabrics have been investigated. Electrical conductivities of SiC-based ceramic woven fabrics were modified by heat treatment in air resulting in their oxidation. Surface properties of alumina woven fabrics were altered by gold-sputtering resulting in a high conductivity layer on the surface of the wovens. Electromagnetic wave interactions of single layer and double layered combinations of these ceramic woven fabrics were determined in 17-40 GHz frequency range using &ldquo / free-space&rdquo / method. Electromagnetic wave absorption potential of ceramic woven fabrics with different chemical compositions and woven types were correlated with their material properties by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and electrical conductivity measurements. Effects of modifications and varying woven fabric arrangements in combinations on the electromagnetic wave absorption potential of the ceramic woven fabrics have been discussed. Various double layer combinations of SiC-based and alumina woven fabrics revealed a promising potential in terms of both reduced reflection and transmission resulting in more than ~95% absorption in millimeter wavelength range, which makes them powerful candidate materials for electromagnetic wave absorption applications.

ABSTRACT MICROWAVE SINTERING AND CHARACTERIZATION OF ALUMINA AND ALUMINA MATRIX CERAMIC NANOCOMPOSITES Kayiplar, Burcu M.S., Department of Metallurgical and Materials Engineering Supervisor: Assist. Prof. Dr. Arcan F. Dericioglu April 2010, 106 pages Efficiency of microwave heating on the sintering of ceramic materials has been investigated in comparison to conventional processing. Monolithic alumina with or without sintering additives such as MgO, CaO, Y2O3 were fabricated by both conventional and microwave sintering at temperatures ranging from 1000&deg / C to 1600&deg / C with a constant soaking time of 1 hour. Based on the densification results on monolithic alumina, nanometer-sized SiC or stabilized ZrO2 particle-dispersed alumina matrix ceramic nanocomposites were sintered by both methods at 1300&deg / C and 1500&deg / C for 1 hour. Sintered ceramic materials were characterized in terms of densification, microstructural evolution, chemical composition and mechanical properties such as hardness and indentation fracture toughness. Microwave sintering was determined to be a remarkably effective method in the production of Al2O3 ceramics at considerably low temperatures (&amp / #8804 / 1400&deg / C) compared to conventional sintering in achieving enhanced relative densities reaching to ~97% with improved microstructural characteristics and mechanical properties. Usage of sintering additives at temperatures higher than 1400&deg / C was determined to be effective in densifiying Al2O3 by both methods. Second phase particle incorporation yielded poor densification resulting in a decrease of hardness of the fabricated ceramic nanocomposites / however, their fracture toughness improved considerably caused by the crack deflection at the dispersed particles and grain boundaries reaching to ~4 MPa&middot / m1/2 in the case of SiC particledispersed nanocomposites. Compared to conventional sintering, microwave sintering is more effective in the processing of alumina and alumina matrix nanocomposites leading to similar densification values along with improved microstructural and mechanical characteristics at lower temperatures in shorter soaking periods.

Porous carbon derived from an inorganic silicon carbide (SiC) precursor, termed SiC-derived carbon, is an attractive material for electrochemical energy storage applications, including electrodes for electrical double layer capacitors (EDLCs). The objective of this thesis is to investigate the effects that the carbide-derived carbon (CDC) microstructure and pore structure have on the energy and power characteristics of the EDLC electrodes. Conventional SiC CDC is produced from non-porous crystalline SiC powder at temperatures above 800 °C. Here we studied the performance of SiC CDCs produced by chlorination at 700-900 °C of an ordered mesoporous SiC precursor, which was synthesized via a 1000 °C pyrolysis of polycarbosilane infiltrated into an SBA-15 silica template having ordered mesopores. The SiC CDC was purified from chlorine impurities by annealing in ammonia. The surface area and pore size of the purified SiC CDC was characterized via N2 and CO2 sorption using density functional theory (DFT) and Brunnauer, Emmet, and Teller (BET) theory. The specific capacitance, power and energy densities were characterized via electrochemical measurements of the SiC CDC electrodes in 1 M tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF4) acetonitrile solution. The SiC CDC exhibited a specific surface area (SSA) in excess of 2400 m2/g and gravimetric capacitance values of up to ~ 150 F/g, among the highest ever reported for any electrodes in this electrolyte. The ordered mesopores allowed for fast ion transport within each particle, resulting in excellent capacity retention under high current rates and ultra-fast frequency response, thus allowing for extremely high power and energy densities. The best overall performance was achieved in SiC CDC samples chlorinated at the lowest temperature of 700 °C.