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During the formation of the Earth, large amounts of heat were released by gravitational energy through planetesimal collisions, but also core-mantle segregation or radioactive decay. These dif- ferent processes caused the melting of the mantle and episodes of magma ocean. As the Earth co- oled, the magma ocean crystallized, leading to chemical segregation between the different terrestrial reservoirs. Studying the melting properties of the mantle is therefore essential to better understand the establishment of the early Earth and its evolution until today. Currently we distinguish zones of low seismic velocities in the upper mantle (LVL and LVZ) but also in the lower mantle (LLSVP and ULVZ) for depths ranging from 80 to about 2900 km, thanks to various seismological and magneto- telluric studies. The origin of the low velocity of the seismic waves seems, in some cases, compatible with the partial melting of the mantle. However, this question is still hotly debated. The various expe- rimental studies carried out on mantle materials indicate that the current temperature of the Earth does not allow the melting of the peridotitic, chondritic or pyrolitic mantle without the intervention of a significant amount of volatile elements, such as water or CO2, or drastic changes in the chemical composition. However, the melting properties of the deep mantle remain controversial due to great experimental difficulties. In a first part of this study, we performed a new experimental determination of (i) the solidus pro- file of ultra-dry pyrolite and (ii) the melting curve of two (Mg,Fe)(Si,Al)O3 compositions of bridgma- nite (Bg), using a laser heated diamond anvil cell (LH-DAC). The melting was detected using various criteria. The results obtained indicate that the melting curve of MgSiO3 is in good agreement with previous reports based on ab initio calculations and shock wave experiments while (Mg0.955,Fe0.045) (Si0.993,Al0.007)O3 melts at temperatures 600-800 K lower than pure MgSiO3. The pyrolite solidus shows a steady evolution from 2200(100) K to 3950(200) K between 25 and 140 GPa, respectively. The new solidus is 200-300 K lower than that of the peridotite, which is expected from a more fertile pyrolitic mantle. Assuming a dry lower mantle, our results imply a core-mantle boundary temperature below 3950(200) K. We subsequently experimentally investigated the solid-liquid phase relationships for the dry- pyrolitic mantle composition at temperatures between 1500 K and 2400 K and at pressures up to more than 25 GPa, using multi anvil presses. We have taken particular interest in determining the partial melt rate as a function of pressure and temperature by (i) performing in-situ measurements of sample electrical conductivity and sample mineralogy by X-ray diffraction, (ii) detecting the fall of a Re-sphere by X-ray contrast imaging, and finally (iii) careful chemical analyses of recovered samples. The high sensitivity of our in-situ measurements reveals significantly lower solidus and liquidus tem- perature profiles than previously reported for the upper mantle. A mantle temperature about 100 K higher than today would induce incipient melting in a wide range of upper mantle depths. The new constraints on the melting properties allow us to refine the type of chemical segregation that could have occurred in the early Earth. The different results obtained finally allow us to discuss mantle mel- ting during the Earth’s history. Finally, in this study, we identify mantle conditions corresponding to large igneous provinces and komatiites, based on an experimental study of pyrolitic mantle melting. Comparisons between experimental melts and natural lavas show that the mantle source depth decreases from 600-700 km for the oldest, low-aluminum komatiites to 100-300 km for picrites and basalts. (...); Lors de la formation de la Terre, de grandes quantités de chaleur ont été libérées par l’énergie gravitationnelle grâce aux collisions de planétésimaux, mais aussi à la ségrégation noyau-manteau ou encore à la désintégration radioactive. Ces différents processus ont provoqué la fusion du manteau et des épisodes d’océan magmatique. Avec le refroidissement de la Terre, l’océan magmatique s’est cristallisé, ce qui a conduit à la ségrégation chimique entre les différents réservoirs terrestres. Étudier les propriétés de fusion du manteau est donc essentiel afin de mieux comprendre la mise en place de la Terre primitive et son évolution jusqu’à aujourd’hui. Grâce à différentes études sismologiques et magnétotelluriques, on distingue actuellement des zones à faibles vitesses sismiques dans le manteau supérieur (LVL et LVZ), mais aussi dans le manteau inférieur (LLSVP et ULVZ), pour des profondeurs allant de 80 jusqu’à environ 2900 km. L’origine des faibles vitesse des ondes sismiques semble, dans certains cas, compatible avec la fusion partielle du manteau. Malgré tout, cette question est encore vivement débattue. Les diverses études expérimentales réalisées sur des matériaux mantélliques indiquent que la température potentielle actuelle ne permet pas la fusion du manteau péridotitique, chondritique ou pyrolitique sans l’intervention d’une quantité importante d’éléments volatils, tels que l’eau ou le CO2, ou bien des changements drastiques de la composition chimique. Cependant, les propriétés de fusion du manteau profond restent controversées en raison des grandes difficultés expérimentales. Dans une première partie de cette étude, nous avons réalisé une nouvelle détermination expéri- mentale (i) du profil du solidus de la pyrolite ultra-sèche et (ii) de la courbe de fusion de deux compositions (Mg,Fe)(Si,Al)O3 de la bridgmanite (Bg), en utilisant une cellule à enclumes de diamant chauf- fée par laser (LH-DAC). La fusion a été détectée en utilisant divers critères. Les résultats obtenus indiquent que la courbe de fusion de MgSiO3 est en bon accord avec les études précédentes, basées sur des calculs ab initio et des expériences d’ondes de choc, tandis que (Mg0.955,Fe0.045)(Si0.993,Al0.007)O3 fond à des températures de 600 à 800 K inférieures à celles du MgSiO3 pur. Le solidus de la pyrolite présente une évolution régulière de 2200(100) K à 3950(200) K entre 25 et 140 GPa, respectivement. Le nouveau solidus est 200-300 K plus bas que celui de la péridotite. En supposant un manteau inférieur sec, nos résultats impliquent une température de limite noyau- manteau inférieure à 3950(200) K. Nous avons, par la suite, étudié expérimentalement les relations de phase solide-liquide pour la composition du manteau sec-pyrolitique, à des températures comprises entre 1500 K et 2400 K et à des pressions allant jusqu’à plus de 25 GPa, en utilisant des presses multi-enclumes. Nous avons porté un intérêt particulier à la détermination du taux de fusion partielle en fonction de la pression et de la température (i) en effectuant des mesures in situ de la conductivité électrique de l’échantillon et de la minéralogie de l’échantillon par diffraction des rayons X, (ii) en détectant la chute d’une Re- sphère par imagerie de contraste aux rayons X et enfin (iii) par des analyses chimiques minutieuses des échantillons récupérés. La grande sensibilité de nos mesures in-situ révèle des profils de température du solidus et du liquidus significativement plus bas que ceux rapportés précédemment pour le manteau supérieur. (...)

Les matériaux de Dirac constituent une classe intéressante de systèmes pouvant subir une transition de phase quantique à température nulle, lorsqu’un paramètre non-thermique atteint un point critique quantique. À l’approche d’un tel point, les observables physiques sont affectées par les importantes fluctuations thermiques et quantiques. Dans ce mémoire, on utilise des techniques de théorie conforme des champs afin d’étudier le tenseur de conductivité électrique dans des théories en 2 + 1 dimensions contenant des fermions de Dirac près d’un point critique quantique. À basse énergie, ces dernières décrivent de façon adéquate de nombreux matériaux de Dirac ainsi que leur transition de phase quantique. La conductivité est étudiée dans le régime des hautes fréquences, à température non-nulle et lorsque le paramètre non-thermique est près de sa valeur critique. Dans ce projet, l’emphase est mise sur les points critiques quantiques invariants sous la parité et le renversement du temps. Dans ce cas, l’expansion de produit d’opérateurs (Operator product expansion en anglais) ainsi que la théorie des perturbations conforme permettent d’obtenir une expression générale pour l’expansion à grandes fréquences des conductivités longitudinales et transverses (de Hall) lorsque le point critique quantique est déformé par un opérateur scalaire relevant. Grâce à ces dernières, nous sommes en mesure de déduire des règles de somme exactes pour ces deux quantités. À titre d’exemple, nos résultats généraux sont appliqués dans le cadre du modèle interagissant de Gross-Neveu, où nous obtenons l’expansion des deux conductivités ainsi que les règles de somme pour un nombre de saveurs de fermions de Dirac N arbitraire. Ces mêmes expressions sont ensuite obtenues par un calcul explicite à N = infini, permettant la comparaison avec les résultats pour un N quelconque. Par la suite, des résultats généraux similaires sont obtenus dans le cas où le point critique quantique est déformé par un opérateur pseudoscalaire relevant. Ces derniers sont finalement appliqués à une théorie de fermions de Dirac libres perturbée par un terme de masse., Dirac materials constitute an interesting class of systems that can undergo a quantum phase transition at zero temperature, when a non-thermal parameter reaches a quantum critical point. As we approach such a point, physical observables are altered by the important thermal and quantum fluctuations. In this thesis, conformal field theory techniques are used to study the electrical conductivity tensor in theories with Dirac fermions in 2+1 dimensions close to a quantum critical point. At low energies, these adequately describe various Dirac materials as well as their quantum phase transition. In this project, we focus on theories that have a quantum critical point invariant under parity and time-reversal. In this case, the operator product expansion and conformal perturbation theory allow to obtain a general expression for the large frequency expansion of the longitudinal and transverse (Hall) conductivities when the quantum critical point is deformed by a relevant scalar operator. Using these, we are able to deduce exact sum rules for both quantities. As an example, our general results are applied to the Gross-Neveu model, where we obtain the large frequency expansion for both conductivities and the associated sum rules for an arbitrary number of Dirac fermion flavors N. The same expressions are then obtained by an explicit calculation at N = infinity, allowing to compare with our results for any N. Afterwards, analogous general results are obtained for theories where the quantum critical point is deformed by a relevant pseudoscalar. These are finally applied to a theory of massless free Dirac fermions perturbed by a mass term.

National audience; RESUME-Les calibres en tension attendus des futurs composants de puissance en carbure de silicium, au-delà de 15 kV, nécessitent d'adapter le système d'isolation électrique des modules de puissance afin de permettre leur utilisation pour les applications Moyenne et Haute Tension. Le papier présente l'étude d'une nouvelle structure de substrat céramique fonctionnalisé pour accompagner cette montée en tension. Ce substrat céramique, intégrant une poche résistive, permet de réduire le renforcement du champ électrique en périphérie des pistes métalliques portant les puces, et d'atténuer ainsi la contrainte électrique limitant la montée en tension de l'ensemble du module. L'intérêt de cette structure est d'abord démontré par une simulation numérique, puis sa faisabilité est prouvée grâce à l'élaboration d'un substrat isolant (en AlN) intégrant une poche nano-composite à matrice AlN incluant des nano-feuillets de graphène. Les résultats de caractérisation sous haute tension des substrats fabriqués, avec et sans poche résistive, sont présentés. Une amélioration significative de la tension de rupture, et le report de la contrainte électrique maximale en bord de poche sont confirmés pour les substrats fonctionnalisés. En revanche, les seuils de tension d'apparition de décharges partielles sont plus bas que ceux mesurés pour les substrats sans poche. La réalisation de ce substrat fonctionnalisé ouvre de nouvelles opportunités pour les problématiques liées à la montée en tension des composants de puissance.

The research carried out in the framework of this thesis has consisted in the development of zinc phosphate glass (45mol. %ZnO-55mol. %P₂O₅) based composites, loaded by different graphite fractions, to study their thermoelectric properties. The structural characterizations of the obtained composites were carried out using different techniques such as X-ray Diffraction (DRX), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Then, their thermoelectric transport parameters were determined by measuring the following physical quantities : the electrical conductivity (σ), the thermal conductivity (κ) and the Seebeck coefficient (S). The obtained results were fitted using effective medium theory for each parameters. Based on these results, the figure of merit (ZT= σS²T/κ) quantifying the thermoelectric performance of the elaborated composites was calculated as a function of graphite concentration. This study showed that the figure of merit depends on the volumique concentration of graphite and shows a maximum at 5 vol.%. A signature of a percolation mechanism was observed on both the effective electrical conductivity σ and the effective κ/S ratio. A shift in percolation thresholds between each of these effective parameters was observed. We have demonstrated that the observed maximum in ZT value is due to this shift. To explain this behaviour, we suggest an electrical conduction mechanism by a tunneling effect between graphitic clusters., Les travaux de recherche effectués dans le cadre de cette thèse ont consisté à élaborer des composites à base du verre de phosphate de zinc (45mol. %ZnO-55mol. %P₂O₅), chargés par différentes fractions volumiques en graphite afin d'étudier leurs propriétés thermoélectriques. Les caractérisations structurales des matériaux composites obtenus ont été effectuées en utilisant différentes techniques comme la diffraction de rayons X (DRX), la microscopie électronique à balayage (MEB) et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Puis, leurs paramètres de transport thermoélectriques ont été déterminés à travers la mesure des grandeurs physiques suivantes : la conductivité électrique (σ), la conductivité thermique (κ) et le coefficient Seebeck (S). Les résultats obtenus ont été ajustés en utilisant les modèles de la théorie des milieux effectifs pour chacun de ces paramètres. A partir de ces résultats, le facteur de mérite (ZT= σS²T/κ) quantifiant la performance thermoélectrique des composites étudiés a été calculé en fonction de la concentration en graphite. Cette analyse a permis de montrer que le facteur de mérite des matériaux composites obtenus dépend de manière significative de la concentration en graphite et montrent une valeur maximale de ZT vers 5%vol. Une signature d'un mécanisme de percolation a été observée à la fois sur la conductivité électrique effective et sur le rapport κ/S effectif. Un décalage entre les seuils de percolation de chacun de ces paramètres effectifs a été observé. Nous avons montré que le maximum observé de la valeur de ZT s'explique par le décalage entre ces seuils. Nous avons avancé l'hypothèse d'un mécanisme de conduction électrique par effet tunnel entre amas de graphite pour expliquer que la manifestation de la percolation sur la conductivité électrique survient à des concentrations inférieures à celle sur le rapport κ/S.

A study of the electrical conductivity evolution of polyethylene filled with carbon nanotubes during quiescent annealing as well as under shear deformation is proposed in this work. For such nanocomposites, the electrical conductivity can be theoretically obtained at filler content lower than 1 %. This material containing a percolated network can be used in industrial applications as protection from electrostatic discharge. Hence, CNTs filled materials can advantageously replace polymer-carbon black composites which contain usually around 20 wt. % of fillers. However, during forming process, the structure created by CNTs connections is strongly modified by the applied stress, possibly resulting in an insulating final product.This study investigates the filler network structuring and destructing mechanisms that occurs during processing steps by means of conductivity monitoring. The dynamic percolation was studied in the first instance to evaluate the extent of the CNT network strengthening ability in the melt polymer. In the case of semi-crystalline polymer, the composite morphology is modified during the cooling by the apparition of a crystalline phase. The disruption of the conducting network by the polyethylene crystallization process has then been considered more especially as the CNT present a certain nucleating character. Finally, combined rheological and electrical measurements were performed to study the shear-induced fillers network modification. A kinetic equation is proposed to follow the effective CNT content and therefore predict the conductivity evolution during and after a shear deformation. As a result, this work contributed to deepen the comprehension of the thermo-rheological history influence on the conductivity of polymer-CNT composites.; Les travaux présentent une analyse de l’évolution de la conductivité électrique de composites à matrices polyéthylène chargées en nanotubes de carbone (NTCs) lors de recuits thermiques et durant des déformations par cisaillement. L’ajout d’une quantité suffisante de NTCs dans une matrice polymère permet d’obtenir une conductivité électrique suffisante pour être utilisée dans des applications de protection aux décharges électrostatiques. L’utilisation des NTCs s’avère particulièrement intéressante, du fait de leurs facteurs de forme, car seulement une faible quantité (autour d’un pourcent) est nécessaire à la formation un réseau percolant de charges, responsable de la conduction électrique. Cependant, les étapes de mise en forme peuvent changer l’arrangement des charges, modifiant alors les propriétés électriques du matériau.Les mécanismes de structuration et de destruction du réseau percolant ont été étudiés par l’intermédiaire de mesure de conductivité. La portée du phénomène d’auto-assemblage du réseau dans le polymère à l’état fondu a été évaluée. Aussi appelée dans la littérature percolation dynamique, cet effet permet d’améliorer la conductivité du composite ainsi que de réduire le seuil de percolation. Lors du refroidissement du composite, la morphologie du matériau est modifiée avec l’apparition d’une phase cristalline. La cristallisation de la matrice conduit à une perte de conductivité rendant compte de la dégradation du réseau de charge. Finalement, un montage couplant une mesure rhéologique avec une mesure électrique a été utilisé dans l’objectif d’analyser les processus structurants s’opérant pendant et après un écoulement en cisaillement. La concurrence des mécanismes de création et de destruction de contacts électriques entre charges a pu être observée. Un modèle permettant de prédire l’évolution de la conductivité des composites à l’état fondu pendant et après la déformation en cisaillement est proposé.

International audience; La prospection géoélectrique est une méthode très utilisée pour détecter et étudier le permafrost. La résistivité électrique qui a largement fait ses preuves est de plus en plus combinée a des mesures en polarisation provoquée sur le terrain et en laboratoire. L'utilisation de modèles pétrophysique récemment développés permet ensuite de convertir les données électriques en informations quantitatives comme la température ou la teneur eau. Cette méthodologie a été testée sur une arête rocheuse et un glacier rocheux où des données thermiques permettent de discuter ces résultats.

This habilitation thesis presents the topics on which I have worked since my PhD. All belong to the field of atomic physics of hot plasmas and follow a guideline: the calculation of the equation of state, the electrical conductivity and the radiative opacity of these plasmas, which constitute data necessary for the interpretation or the prediction, by a computer code, of their hydrodynamic evolution in the presence of radiation, whether in an astrophysical context or for studies related to nuclear fusion. Beyond this goal, the underlying purpose is to understand the intrinsic properties of the complex atomic structure and spectra of hot plasmas.; Ce document présente les principales questions sur lesquelles j’ai travaillé depuis ma thèse de doctorat. Toutes s’inscrivent dans le contexte de la physique atomique des plasmas chauds et suivent une ligne directrice : calculer l’équation d’état, la conductivité électrique et l’opacité radiative de ces plasmas, qui constituent des données nécessaires à l’interprétation ou la prévision, par un code de calcul, de leur évolution hydrodynamique en présence de rayonnement, que ce soit dans un contexte astrophysique ou pour des études liées à la fusion nucléaire. Au-delà de cet objectif, il s’agit de comprendre les propriétés intrinsèques de la structure et des spectres atomiques complexes des plasmas chauds.

In this work we present the development of a polyolefin composite material with electromagnetic interference (EMI) shielding properties. The project objective is set to a shielding effectiveness of at least 40 dB (99.99% of the wave power blocked) for a film thickness of 1mm over a broad frequency range spanning from 100 MHz to 10 GHz that includes many applications that can be found in consumer electronics or connected cars for instance. Composite material density and mechanical properties are expected to remain as close as possible to the pure polymer matrix. No study found in the literature complies with all these specifications, highlighting the challenge of such a research project. Understanding the physical mechanisms of EMI shielding in polymer composite materials is also an issue of this work. In the project, we first focused on the study of carbon nanotubes-based composite materials that displayed good but not satisfying EMI shielding properties due to limited electrical conductivity. Development of a first theoretical model enabled us to identify the relevant composite properties for shielding and oriented our attention on composites filled with metallic fillers. The high density of this kind of fillers however required a low concentration in the composite materials and strategies to lower fillers electrical percolation. Liquid metal revealed to be incompatible with molten polymer because of high values of interfacial tension and viscosity ratio. A hybrid filler of moderate density but high metallic conductivity was found to be the best candidate. The addition of a fatty acid led to improved shielding properties that reached and surpassed the set objectives. The unexpected effect of the fatty acid on material morphology was identified and explained. Finally, the shielding properties of these composite materials could be theoretically modeled considering the self-inductance of metallic fillers and adding an inductive component to the composite electrical conductivity. The model was also found to correctly predict shielding properties of composite materials filled with metallic fillers from the literature. Thus, this work has significantly contributed to the development of novel polymer composite materials for EMI shielding, to the processing of these materials and to the understanding of EMI shielding physics., Ces travaux portent sur le développement d’un matériau composite polyoléfine aux propriétés de blindage électromagnétique (EM). L’objectif du projet est fixé à une valeur d’efficacité de blindage de 40 dB (99,99% de la puissance d’une onde incidente bloquée) à 1mm d’épaisseur dans une large gamme de fréquence s’étendant de 100 MHz à 10 GHz incluant de nombreuses applications dans l’électronique nomade ou les voitures connectées par exemple. La densité du matériau et ses propriétés mécaniques doivent demeurer proches de celles de la matrice pure. Aucune étude de la littérature ne remplit toutes ces conditions à la fois, soulignant le défi posé par ce projet de recherche. Comprendre la physique du blindage EM des matériaux composites est également une problématique importante de ces travaux. Le début de ces travaux s’est concentré sur l’étude de composites à base de nanotubes de carbone qui ont présenté de bonnes propriétés de blindage mais insuffisantes pour le projet en raison de leur conductivité électrique limitée. Le développement parallèle d’un premier modèle théorique nous a permis d’identifier les paramètres pertinents au blindage EM et nous a ainsi orienté vers l’étude de composites à base de charges métalliques de plus grande conductivité. La densité élevée de ce type de charges nécessite cependant de limiter leur concentration dans le matériau et donc de développer des stratégies pour abaisser leur seuil de percolation électrique. Le métal à l’état liquide s’est avéré incompatible avec le polymère fondu en raison des valeurs trop importantes de tension interfaciale et de rapport de viscosité. Le meilleur candidat est une charge hybride de densité modérée et de haute conductivité métallique. L’ajout d’acide gras, dont l’effet inattendu sur la morphologie du composite a été identifié et expliqué, a été associé à une augmentation des propriétés de blindage du composite atteignant et dépassant les objectifs fixés. Le comportement en blindage EM de ces composites a été modélisé en considérant l’auto-inductance des charges métalliques et donc en ajoutant une composante inductive à la conductivité du composite. Ce modèle s’est également avéré capable de prédire le blindage de matériaux composites chargés en particules métalliques issus de la littérature. Ainsi, ces travaux contribuent de façon significative au développement de nouveaux matériaux composites polymères aux propriétés de blindage et à leur mise en œuvre, ainsi qu’à la compréhension de la physique et des mécanismes du blindage EM dans les matériaux composites.

ZnO based ceramics with appropriate doping elements show excellent electrical and optical properties such as high exciton binding energies, a modulated optical transparency and high electrical conductivities. Therefore, ZnO based conducting ceramics have been extensively investigated in the aim of their application as resistors, visitors, gas sensors, transparent electrodes, solar cell windows, piezoelectric, electro-optical and thermoelectric devices. The high conductivity of ZnO ceramics up to 0.1MS·m-1 is closely related to the doping elements along with the ceramic microstructure and the processing conditions with particular effects of grain boundaries, crystalline structure and structural disorder within the ceramics. Thus, the present thesis is devoted to the fabrication by sintering under defined conditions (sintering atmospheres, processes) of ZnO based ceramics co-doped by (Al, Ti, Mg) , the investigations and deep analysis of their related properties including crystalline structure, micro-structure and the electrical behavior. Exhaustive studies were developed on the doped ceramics by using structural methods (XRD, Raman), microscopy (TEM, SEM) and magnetic resonance (EPR, NMR) probing the local order and electronic active defects. The conductivity is adjusted by the nature of the structure influenced by the doping elements, the sintering atmosphere, and the sintering method. The correlation "Preparation - Structure - Conductivity" has been established to pave the way for the potential technological applications of highly conducting ZnO-based ceramics.; Les céramiques conductrices à base de ZnO suscitent un important intérêt pour leurs applications comme varistances, capteurs de gaz, électrodes transparentes, dispositifs piézoélectriques, électro-optiques ou thermoélectriques. Le dopage de ZnO confère aux céramiques formées des propriétés électriques et optiques remarquables caractérisées par une transparence optique modulée, des énergies de liaison élevées pour les excitons, et des conductivités électriques atteignant 0.1 MS.m-1. La grande conductivité de ZnO est intimement liée aux éléments dopants, à la microstructure des céramiques et aux conditions de synthèse et traitements. Les joints de grains, la structure cristalline, le désordre structural et les défauts électroniques contribuent au comportement électrique des matériaux. Le présent travail de thèse s'inscrit dans ce contexte et porte sur la mise en œuvre de méthodes de fabrication de céramiques à base de ZnO co-dopées par des éléments (Al, Ti, Mg) et l'étude de leurs caractéristiques physiques incluant la structure cristalline, la microstructure et le comportement électrique. Ainsi, des études exhaustives ont été menées par des méthodes structurales (RX, Raman), microscopies (MET, MEB) et de résonance magnétique (RPE, RMN) sensible à l'ordre local et aux défauts électroniques actifs. La conductivité est ajustée par la nature des éléments dopants, l'atmosphère de frittage et les méthodes de fabrication par solutions solides ou par frittage flash (SPS). La corrélation "Préparation - Structure - Conductivité" a été établie pour la réalisation de céramiques à base de ZnO avec de fortes conductivités ouvrant la voie à des applications technologiques potentielles.

ZnO based ceramics with appropriate doping elements show excellent electrical and optical properties such as high exciton binding energies, a modulated optical transparency and high electrical conductivities. Therefore, ZnO based conducting ceramics have been extensively investigated in the aim of their application as resistors, visitors, gas sensors, transparent electrodes, solar cell windows, piezoelectric, electro-optical and thermoelectric devices. The high conductivity of ZnO ceramics up to 0.1MS·m-1 is closely related to the doping elements along with the ceramic microstructure and the processing conditions with particular effects of grain boundaries, crystalline structure and structural disorder within the ceramics. Thus, the present thesis is devoted to the fabrication by sintering under defined conditions (sintering atmospheres, processes) of ZnO based ceramics co-doped by (Al, Ti, Mg) , the investigations and deep analysis of their related properties including crystalline structure, micro-structure and the electrical behavior. Exhaustive studies were developed on the doped ceramics by using structural methods (XRD, Raman), microscopy (TEM, SEM) and magnetic resonance (EPR, NMR) probing the local order and electronic active defects. The conductivity is adjusted by the nature of the structure influenced by the doping elements, the sintering atmosphere, and the sintering method. The correlation "Preparation - Structure - Conductivity" has been established to pave the way for the potential technological applications of highly conducting ZnO-based ceramics., Les céramiques conductrices à base de ZnO suscitent un important intérêt pour leurs applications comme varistances, capteurs de gaz, électrodes transparentes, dispositifs piézoélectriques, électro-optiques ou thermoélectriques. Le dopage de ZnO confère aux céramiques formées des propriétés électriques et optiques remarquables caractérisées par une transparence optique modulée, des énergies de liaison élevées pour les excitons, et des conductivités électriques atteignant 0.1 MS.m-1. La grande conductivité de ZnO est intimement liée aux éléments dopants, à la microstructure des céramiques et aux conditions de synthèse et traitements. Les joints de grains, la structure cristalline, le désordre structural et les défauts électroniques contribuent au comportement électrique des matériaux. Le présent travail de thèse s'inscrit dans ce contexte et porte sur la mise en œuvre de méthodes de fabrication de céramiques à base de ZnO co-dopées par des éléments (Al, Ti, Mg) et l'étude de leurs caractéristiques physiques incluant la structure cristalline, la microstructure et le comportement électrique. Ainsi, des études exhaustives ont été menées par des méthodes structurales (RX, Raman), microscopies (MET, MEB) et de résonance magnétique (RPE, RMN) sensible à l'ordre local et aux défauts électroniques actifs. La conductivité est ajustée par la nature des éléments dopants, l'atmosphère de frittage et les méthodes de fabrication par solutions solides ou par frittage flash (SPS). La corrélation "Préparation - Structure - Conductivité" a été établie pour la réalisation de céramiques à base de ZnO avec de fortes conductivités ouvrant la voie à des applications technologiques potentielles.

International audience; The low-frequency electromagnetic method (or EMI for ElectroMagnetic Induction), at the crossroads of the magnetic, electrical and GPR methods, offers many possibilities of development but is also limited by important technical constraints. In spite of instrumental developments initiated during the sixties, their use has long been limited in archaeology to the mapping of apparent electrical conductivity and/or magnetic susceptibility over restricted areas or with wide mesh sampling strategies. Since the end of the 2000s, due to their application in soil science, EMI methods have been widely diffused. Multi-coils and multi-frequency systems have replaced single-frequency and single-receiver devices, then opening up new perspectives in terms of 3D spatial characterization of buried features but also in terms of soil properties analysis. The development of towed systems allowed application to landscape archaeology. This technical advance, which has been expressed in terms of amount of measurement, has prevailed over in-depth theoretical work nowadays illustrated by data inversion and analyses of sensitivity to the different geophysical properties. These two specific points, however, open up the soundness perspectives to future applications. We will discuss the instrumental limitations to which these applications face and which are often neglected by practitioners. We will also present the results of 1D and 3D modelling.; La méthode électromagnétique basse fréquence (ou EMI pour ElectroMagnetic Induction), située à la croisée des méthodes magnétique, électrique et radar, offre de nombreuses possibilités de développement mais subit également d’importantes contraintes techniques. Malgré des développements instrumentaux initiés dans les années 60, son utilisation a longtemps été limitée en archéologie à la cartographie de la conductivité électrique apparente et/ou de la susceptibilité magnétique soit sur des surfaces restreintes soit avec des stratégies à large maille. Depuis la fin des années 2000, du fait de leur application en science du sol, les méthodes EMI se sont plus largement diffusées. Les appareils mono-fréquence et mono-récepteur ont ouvert la voie à des appareils multi-récepteurs et multi-fréquences avec des perspectives très larges en termes de caractérisation spatiale 3D des structures cartographiées comme d’analyse des propriétés physiques des sols. Le développement de systèmes tractés et automatisés a permis à cette méthode de trouver une place dans l’archéologie du paysage. Ce progrès technique, qui s’est traduit par une quantité importante de données a prévalu sur un travail théorique approfondi illustré aujourd’hui par l’inversion de données et l’analyse des sensibilités aux différentes propriétés géophysiques qui ouvrent de larges perspectives. Nous évoquerons les limites instrumentales auxquelles ces applications doivent faire face mais sont souvent négligées par les utilisateurs de ces méthodes. Nous présenterons également le résultat de modélisations 1D et 3D.

This thesis work deals with the cold spray metallization of polymer substrates by aiming at an optimal deposition efficiency using experimental analysis combined with numerical simulation. Experimental observations of the powder jet using an ombroscopic analysis have revealed a generic behavior consisting of a uniform confined zone at the immediate exit of the nozzle followed by a dispersed zone. The supersonic flow at the nozzle exit being essentially axial, the powders are entrained to form a uniform jet. Beyond a certain distance, a dispersion appears. This distance is very important because it characterizes the behavior of the powders. It can alter the conditions for the elaboration of coatings since a deviation of the powder trajectory can lead to oblique collisions on the substrate surface and reduce the normal component of the collision speed. It has been clearly observed that this critical distance is influenced by the combination of powder density and diameter (ρpDp) although there is no generalizable trend when extending the study over a large variance of ρpDp.A CFD simulation study has provided a better understanding of the phenomenological behaviour of the fluid/powder flow. At the nozzle outlet, the shearing of the surrounding air by the supersonic jet creates self-sustaining vortices that generate an oscillation of the local properties of the fluid. This turbulence is repetitive and produces instability in the upper and lower parts of the flow. The drag force exerted by the fluid does not cause the radial deviation of the powder trajectory. From a phenomenological point of view, it is the consideration of a Magnus effect that allows to reproduce qualitatively and also quantitatively the experimental dispersion. The simulated diameter of the powder jet corresponds relatively well to the experimental diameter and thus corroborates the role of the Magnus effect. Powders of fine sizes are less sensitive to this effect. However, this sensitivity deserves further analysis. Nevertheless, the understanding of this powder kinematic phenomenology has helped to explain the limitation of the spray yield at low pressure and to show the necessity to work at higher pressures to allow an optimal growth of the coating.The metallization of PEEK at high pressure could therefore be undertaken with operating conditions that avoid substrate deterioration. The spraying parameters were then adjusted from an efficiency of 70% to a maximum threshold of 91%. The adjustment of the parameters consists in reducing the phenomena of erosion or delamination. A lack of speed favours erosion and too high a speed causes spalling when the coating adhesion is made up of an interfacial layer of poor cohesion (8MPa). According to the best processing conditions, porosity rates of less than 0.27 ± 0.179% and oxides of 2.21 ± 1.150% were obtained. Electrical conductivity measurements showed relatively good values (62.3% IACS). If the achievement of an efficiency higher than 90% is now possible with cold spraying at high pressure, the problem of interfacial adhesion remains nevertheless a limiting factor that leads to new perspectives for improving the metallization of organic substrates., Ce travail de thèse porte sur la métallisation de substrat polymère par projection à froid en visant un rendement de dépôt optimal à l’aide d’une analyse expérimentale combinée à la simulation numérique. Les observations expérimentales du jet de poudre à l’aide d’une analyse ombroscopique ont permis de révéler un comportement générique constitué d’une zone confinée uniforme en sortie immédiate de la buse suivi d’une zone dispersée. Le flux supersonique en sortie de la buse étant essentiellement axial, les poudres sont entraînées pour former un jet uniforme. Au-delà d’une certaine distance, une dispersion apparaît. Cette distance est très importante car elle caractérise le comportement des poudres. Elle peut altérer les conditions d’élaboration des revêtements dès lors qu’une déviation de la trajectoire des poudres peut conduire à des collisions obliques sur la surface du substrat et réduire la composante normale de la vitesse de collision. Il a été clairement observé que cette distance critique est influencée par la combinaison de la densité et du diamètre des poudres (ρpDp) bien qu’il n’y ait pas de tendance généralisable lorsqu’on étend l’étude sur une large variance de ρpDp.Une étude par une simulation CFD a permis de mieux comprendre le comportement phénoménologique de l’écoulement fluide/poudres. En sortie de buse, le cisaillement de l’air environnant par le jet supersonique crée des tourbillons auto-entretenus qui génèrent une oscillation des propriétés locales du fluide. Cette turbulence est répétitive et produit une instabilité dans les parties supérieure et inférieure de l'écoulement. La force de traînée exercée par le fluide n’est pas à l’origine de la déviation radiale de la trajectoire des poudres. Du point de vue phénoménologique, c’est la considération d’un effet Magnus qui permet de reproduire qualitativement et aussi quantitativement la dispersion expérimentale. Le diamètre simulé du jet de poudre correspond relativement bien au diamètre expérimental et corrobore en cela le rôle de l’effet Magnus. Les poudres de tailles fines sont moins sensibles à cet effet. Cette sensibilité mérite toutefois une analyse plus approfondie. Néanmoins, la compréhension de cette phénoménologie cinématique des poudres a permis d’expliquer la limitation du rendement de projection à basse pression et de montrer la nécessité de travailler à des pressions plus élevées pour permettre une croissance optimale du revêtement.La métallisation du PEEK à haute pression a donc pu être entreprise avec les conditions opératoires qui évite la détérioration du substrat. Les paramètres de projection ont été ensuite ajustés pour passer d’un rendement de 70% à un seuil maximal de 91%. L’ajustement des paramètres consiste à réduire les phénomènes d’érosion ou de délaminage. Un manque de vitesse favorise l’érosion et une vitesse trop importante provoque un écaillage dès lors que l’adhésion du revêtement est constituée d’une couche interfaciale de cohésion médiocre (8MPa). Suivant les meilleures conditions d’élaboration, des taux de porosité inférieurs à 0,27 ± 0,179% et d’oxydes de 2,21 ± 1,150% ont été obtenus. Les mesures de conductivité électrique ont montré des valeurs relativement bonnes (62,3% IACS). Si l’obtention d’un rendement supérieur à 90% est dorénavant possible avec une projection à froid à haute pression, la problématique de l’adhérence interfaciale reste néanmoins un facteur limitant qui conduit à de nouvelles perspectives d’amélioration de la métallisation de substrats organiques.

The transport properties of mantle rocks are key parameters to qualitatively and quantitatively interpret direct and indirect geophysical information such as seismic velocities, heat fluxes and electromagnetic profiles across Earth’s and planetary interiors. The origins of upper mantle geophysical anomalies such as the Low Velocity Zone (70-150 km deep) and the Low Velocity Layer (350-410 km deep) are poorly known and require experimental constraints. In this PhD thesis, we have explored the electrical, seismic and thermal properties of realistic solid and partially molten peridotites via the development of geophysical in situ techniques. Performed at high pressures and temperatures in multi-anvil apparatus, our experiments allowed the characterization of the effect of melting on these different physical properties at mantle conditions. We performed the first experimental combination of electrical conductivity and sound wave velocity in a single multi-anvil experiment. Thanks to this technique, we reconciled electrical and seismic estimations of the melt fraction implied in the LVZ with 0.3-0.8 Vol.% of partial melting. The textural equilibration between melt and solid phases was found to be crucial for the comparison of laboratory estimations. We then realized the first reproduction of the dehydration melting process during the ascend of hydrous peridotites from the mantle transition zone to the upper mantle, between 12 and 14 GPa. Measurements during partial melting gave acoustic and electrical signals comparable to geophysical observations favoring partial melting explanation of the LVL anomaly. The implied melt fractions at upper mantle base were quantified to be moderate (, Les propriétés de transport des roches mantelliques sont des paramètres importants pour interpréter aussi bien qualitativement que quantitativement les informations géophysiques, telles que la vitesse des ondes sismiques, les flux de chaleurs et les profils magnétotelluriques terrestres. L’origine des anomalies géophysiques du manteau supérieur, comme la zone de faible vitesse (LVZ ; 70-150km de profondeur) et le niveau de faible vitesse (LVL ; 350-410 km de profondeur), est peu renseignée et demande des contraintes expérimentales. Au cours de cette thèse, nous avons étudié les propriétés électriques, sismiques et thermiques des péridotites solides et partiellement fondues via le développement de techniques géophysiques in situ. Nos expériences à hautes pressions et températures, en presse multi-enclumes, nous ont permis d’établir les effets de la fusion sur ces différentes propriétés physiques aux conditions mantelliques. Nous avons, pour la première fois, réalisé des mesures combinées de conductivité électrique et de vitesses des ondes sismiques en une seule et même expérience. Grâce à cette technique, nous avons réconcilié les mesures du taux de fusion impliquées dans la LVZ estimées par les deux signaux géophysiques avec 0.3-0.8%vol de fusion partielle. L’équilibre textural entre les phases liquides et solides s’est révélé être fondamental pour la comparaison des mesures en laboratoire. Nous avons ensuite procédé à la première reproduction de fusion par déshydratation durant l’ascension des péridotites hydratées depuis la zone de transition mantellique vers le manteau supérieur (entre 12 et 14 GPa). Au cours de la fusion partielle, les signaux sismiques et électriques mesurés sont comparables aux observations géophysiques confirmant l’hypothèse de fusion au niveau de la LVL. Les taux de liquides impliqués à la base du manteau supérieur seraient alors modestes (< 2 %vol). La composition des magmas produits précise le rôle de filtre chimique de ce niveau situé entre les manteaux supérieur et profond. La densité estimée du magma confirme sa flottabilité neutre, favorisant la stabilité de ce niveau au cours des temps géologiques. Les analyses des éléments volatils et les modélisations des transferts d’hydrogène prouvent que ce niveau est un réservoir potentiel d’eau profond et favorise l’hypothèse d’une hydratation par la base du manteau supérieur. Enfin, des méthodes de mesure de diffusivité thermique (Angström, pulse) ont été adaptées à la presse multi-enclumes du LMV. Des procédures de traitement et des modélisations des transferts thermiques ont été développées Les premières mesures de diffusivité thermique de verres et liquides réalistes aux conditions mantelliques ont pu ainsi être réalisées. De plus, la caractérisation d’échantillons aux structures variées a pu être effectuée à l’aide de la méthode Angström (périclase, olivine, péridotite partiellement fondue).

Silicon nanowires (SiNWs) attract growing attention in view of their promising thermoelectric applications. Low thermal conductivity and bulk-like electrical properties make them a perfect candidate as a thermoelectric material in framework of the concept “phonon-glass/ electroncrystal”. Theoretically, the values of figure of merit (ZT) for SiNWs as high as three can be achieved at room temperature, and experimentally ZT = 0.7 were already observed for individual SiNWs, which is close to ZT for commonly used bismuth chalcogenides (ZT = 0.8-1.0). For practical application of SiNWs, the low-cost fabrication methods for SiNWs arrays with high ZT should be achieved. In this thesis we aimed: (i) to adapt available semiconductor technology for fabrication of highly-doped SiNWs arrays, (ii) to develop contactless methods for non-destructive characterization of electrical and thermal properties of the SiNWs arrays, (iii) to fabricate and characterize SiNWs arrays with high electrical and low thermal conductivities. The arrays of SiNWs with the morphology and doping level necessary for maximum ZT were fabricated using metal-assisted chemical etching of silicon wafers and post-fabrication doping procedure, which consisted of the thermal diffusion of dopant atoms from spin-on dopant solutions. In particular, the arrays of silicon nanowires with a typical diameter of 100 nm, length of 10 mm, bulk core/rough surface morphology and doping level of 1020 cm.; Les nanofils de silicium (SiNWs) attirent l’attention particulière en raison de leurs applications thermoélectriques prometteuses. La faible conductivité thermique et les propriétés électriques proches du Si massif en font un nanomatériau thermoélectrique idéal dans le concept de "verre à phonons - cristal à électrons". Théoriquement, les valeurs du facteur de mérite thermoélectrique (ZT) pour SiNW peuvent atteindre 3 à la température ambiante. ZT = 0,7 a été déjà obtenu expérimentalement pour des SiNW individuels, ce qui est proche de ZT pour les chalcogénures de bismuth (ZT = 0,8 -1,0) qui sont couramment utilisés. De point de vue pratique, il faut savoir fabriquer des réseaux de SiNWs à faible coût. Dans cette thèse, nous avons cherché: (i) à adapter des technologies existantes pour la fabrication des SiNWs fortement dopés, (ii) à développer des méthodes de caractérisation sans contact et non destructive des propriétés électriques et thermiques de réseaux de SiNWs, (iii) à fabriquer et caractériser des réseaux de SiNWs à haute conductivité électrique et faible conductivité thermique. Les réseaux des SiNW ayant la morphologie et le niveau de dopage nécessaires pour obtenir un ZT maximal ont été fabriquées par gravure chimique assistée par métaux de substrats de silicium. Une procédure de dopage post-fabrication a été développée en utilisant la diffusion thermique d’atomes de dopant à partir de solutions de dopage (via un dépôt spin-on). En particulier, les réseaux de nanofils de silicium ayant un diamètre typique de 100 nm, une longueur de 10 mm, une morphologie de type "cœur cristallin/ surface rugueuse" et un niveau de dopage de 10 20 cm.