Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Potentiel d'interface“

La stabilité d’une solution contenant des espèces chargées (ions/colloïdes) dépend de la taille et de la charge électrique des entités chimiques en suspension ainsi que des propriétés du solvant. En particulier, la charge électrique est à l’origine des forces d’interactions électrostatiques entre les espèces en solution. Cette grandeur détermine leur tendance à s’agglomérer, à sédimenter ou non au cours du temps, ce qui est essentiel à connaître dans de nombreux secteurs tels que la cosmétique, la pharmacie, etc. Ces propriétés de charge sont cependant difficilement accessibles. Elles peuvent être décrites par la charge structurale des objets, rarement mesurée, ou par la charge effective, souvent estimée par des mesures de mobilité électrophorétique ou de potentiel Zêta. La méthode usuelle pour déterminer la mobilité électrophorétique est l’électrophorèse mais cette technique présente plusieurs limitations en particulier dans le cas des suspensions opaques (absorption), des suspensions concentrées (diffusion multiples) et des suspensions à forte conductivité. La technique d’acoustophorèse, très peu répandue, permet de contourner la plupart de ces difficultés. Cette technique est la seule adaptée aux milieux concentrés et/ou opaques, aqueux ou non, dont la taille s’étend de l’ion à la particule micrométrique tels que nombre de systèmes réels et complexes d’intérêt industriel (lait, peinture, ciment, etc. ). Le principe de la mesure (phénomène prédit par Debye, J. Chem. Phys, 1, 13 (1933)) est l’analyse de la réponse électrique d’une suspension soumise à une onde de pression. L’objectif du travail était de concevoir et industrialiser un dispositif d'acoustophorèse avec trois contraintes dominantes : un petit volume d'échantillon, un accès au signal brut et aux outils de traitement de ce signal mais aussi de bien comprendre les possibilités de la technique. Le manuscrit présente dans un premier temps, les notions nécessaires pour décrire l'environnement d'un objet chargé en solution et les techniques électrocinétiques disponibles permettant d'accéder à la charge d'une espèce. Dans un second temps, l'analyse de la littérature et des appareils existants permet de comprendre l'état actuel de la technique du point de vue théorique et expérimental et d'identifier les verrous technologiques qui limitent ses capacités. Dans un troisième temps, nous présentons la conception et le développement du dispositif innovant auquel nous avons abouti. Pour finir, nous présenterons sa validation par des mesures sur des systèmes modèles en travaillant avec un volume de quelques millilitres. L’accès au signal permet de juger de la pertinence des résultats, qui apparaissent très satisfaisants pour de nombreux systèmes du nanomètre au micromètre
The stability of a solution containing charged species depends on the size and on the electric charge of the chemical entities suspended in the solution as well as on the properties of the solvent. In particular, the electric charge is at the origin of the electrostatic forces between the charged entities. This electric charge determines their tendancy to agregate and to sediment or not over time ; this information is essential in areas such as cosmetics or pharmaceuticals. However, determining these charge properties is difficult. They maybe quantified by the stuctural charge of the object, which is rarely measured or by the effective charge often estimated by means electrophoretic mobility or zeta potential. The usual method to determine the electrophoretic mobility is the electrophoresis but this technique cannot be used for opaque suspensions, concentrated suspensions and suspensions with high conductivity. The scarcely used acoustophoretic method allows us to bypass these difficulties. This technique is the only one adapted to concentrated or opaque environments as well as many solutions of indutrial interest, whatever the size of the charged species, from the ion to micrometric particles. The principle of measurement (predicted by Debye, J. Chem. Phys, 1, 13 (1933)) is the analysis of the electric response of the solution under a pressure wave. Our objectve was to design and industrialize an acoutophoresis prototype having the three following charateristics : a much smaller sampling volume than previous devices, direct access to the raw signal, specific tools for the treatment of the signal and a better understanding of the technical possibilities of the techique. Firstly, the report presents the notions necessary to describe the environment of charged objects in a solution and the electrokinetic techniques available to characterize such charged systems. Secondly the analysis of the literature and of actual devices allows us to understand the current state of the technique from both theoretical and experimental points of view. Thirdly we explain the conception and the development of our prototype as a finish product with the desired characteristics. Finally, we present measurements on several model systems, which validate the efficiency of our innovative prototype

Ce travail est base sur la spectroscopie sous champ magnetique d'une heterostructure cdte/cdmnte constituee de deux puits de cdte de 20 a et 30 a separes par une barriere de cd#0#. #8#7#5mn#0#. #1#2#5te de 150 a. Nous avons dans un premier temps montre la forte anisotropie de l'eclatement zeeman des transitions excitoniques entre les configurations faraday (b k vecteur propagation de la lumiere) et voigt (b k). Afin de calculer les niveaux de confinement des porteurs dans les puits, nous avons tenu compte de la variation de l'aimantation des ions manganese situes aux interfaces dans les deux configurations. Nous avons dans un deuxieme temps etudie l'exciton charge negativement x# que nous avons identifie sur le flanc basse energie des spectres de luminescence du puits large du double puits. L'exces d'electrons necessaires a la formation de x# provient a la fois du dopage residuel des barrieres et du transfert excitonique du puits etroit vers le puits large. Nous avons montre en excitation de luminescence, que le champ magnetique, en modifiant les niveaux d'energie dans les deux puits, agit d'une part sur les mecanismes de transfert entre puits et conduit d'autre part a la dissociation de x#. L'influence de la puissance d'excitation ou de la temperature sur la densite d'excitons neutres x et d'excitons charges x# est interpretee a l'aide d'un modele simple traduisant l'equilibre chimique entre les trois especes en presence (x, x# et electrons) dans le puits large.

Ce travail est consacré à l'étude de l'hydratation et de la prise du silicate tricalcique, composant principal du ciment Portland, dans des solutions d'électrolytes représentatives des solutions interstitielles des pâtes de ciment pendant les premiers jours d'hydratation. On observe une continuité des phénomènes, des suspensions diluées aux pâtes et du système simple à ces systèmes plus complexes du point de vue chimique. En présence des électrolytes étudiés (hydroxydes et sulfates alcalins), le mécanisme de l'hydratation reste identique au mécanisme intervenant dans l'eau. Tous ces électrolytes sont des accélérateurs de l'hydratation. La stœchiométrie des hydrates formes (C-S-H) est déterminée par l'activité en calcium de la solution. Les ions étudiés ont des effets différents sur les caractéristiques de la double couche électrique présente autour des particules. Le calcium et le sulfate sont spécifiquement adsorbés à la surface du silicate tricalcique et du C-S-H, les alcalins sont des ions indifférents. Ces différences de comportement se retrouvent dans l'influence de ces ions sur les différentes étapes de l'hydratation. L'évolution mécanique des pâtes est caractérisée par la formation d'une structure au cours des premières minutes suivant la fin du gâchage. Cette structuration de la pâte intervient sous l'action de forces attractives qui s'opposent aux forces répulsives, dues aux interactions entre les doubles couches entourant les particules, trop faibles dans ces conditions pour s'opposer à la coagulation rapide des particules. Les forces attractives sont des forces entre surfaces, responsables également des propriétés mécaniques du solide formé après la prise. L'augmentation des résistances du matériau est due à l'augmentation des surfaces en vis à vis dans la pâte du fait de la formation des hydrates. Il s'agit d'un phénomène continu. La prise ne correspond à aucune transition structurale.

Les interfaces entre un conducteur et un isolant sont généralement supposées parfaites, c'est-à-dire que la longueur de Debye dans l'isolant est supposée très grande devant son épaisseur. Il est montré dans ce travail que ce n'est pas le cas et que des états d'interface produisent un potentiel de contact qui peut modifier grandement le comportement de l'interface lorsque le matériau est soumis à un champ électrique intense. En effet le dipôle d'interface à l'origine de la tension d'interface modifie la courbure des bandes d'énergie et donc favorise au au contraire contrarie l'injection ou l'extraction de charges. Une série d'expériences a été réalisée en utilisant la méthode d'onde de pression implémentée à l'aide d'un générateur acoustique de forte puissance sur des échantillons de polyéthylène de différents types, avec différentes électrodes et avec différentes conditions expérimentales. Les dipôles d'interface observés par la mesure influent effectivement sur l'injection de charges lorsque le matériau est sous haute tension. On peut remarquer que l'aluminium a une influence plus importante, notamment lorsqu'il est utilisé avec de l'huile silicone. Lorsque l'isolant ne possède pas d'électrodes, il est préférable de le coupler directement à un polymère chargé en carbone avec de l'huile silicone plutôt que de lui déposer des électrodes sous vide. Le dipôle d'interface observé est en effet plus proche de celui observé avec des électrodes en polymère chargé en carbone collées à chaud. Lors de la mise sous tension, on remarque que les charges pénètrent d'abord dans l'échantillon du fait du dipôle d'interface. La migration de ces charges produisent alors des injections secondaires dues à un effet de champ. La fluoration de la surface des échantillons n'a pas significativement amélioré la situation et n'opère donc pas comme un rempart aux charges, mais plutôt comme une barrière à la diffusion d'impuretés
The interfaces between a conductor and an insulator are generally assumed to be perfect, meaning that the Debye length in the insulator is considered to be much larger than its thickness. However, this work shows that this is not the case and that interface states generate a contact potential that can significantly alter the behavior of the interface when the material is subjected to a strong electric field. Indeed, the interface dipole responsible for the interface voltage modifies the curvature of the energy bands and thus either promotes or hinders charge injection or extraction. A series of experiments was conducted using the pressure wave method, implemented with a high-power acoustic generator on various polyethylene samples, with different electrodes and under various experimental conditions. The interface dipoles observed through measurement do indeed influence charge injection when the material is under high voltage. It is noteworthy that aluminum has a greater influence, particularly when used with silicone oil. When the insulator does not have electrodes, it is preferable to directly couple it with a carbon-filled polymer and silicone oil rather than deposit electrodes on it under vacuum. The interface dipole observed is indeed closer to that seen with carbon-filled polymer electrodes hot-bonded to the material. Upon applying voltage, charges initially penetrate the sample due to the interface dipole. The migration of these charges then leads to secondary injections caused by a field effect. Fluorinating the surface of the samples did not significantly improve the situation and thus does not act as a shield against charges, but rather as a barrier to the diffusion of impurities

Les matériaux actifs, tout d'abord piézoélectriques et piézo-électromagnétiques, sont souvent utilisés comme parties fonctionnelles de différents dispositifs électroniques, y compris les capteurs, les transducteurs et les actionneurs, car ces matériaux ont la possibilité de changer de forme sous le champ électrique ou magnétique. Dans de nombreux cas, la taille des appareils mentionnés est extrêmement petite, mais ils peuvent néanmoins être soumis à de très grands champs mécaniques, électriques et magnétiques. En outre, ces dispositifs sont habituellement construits en éléments pouvant être fabriqués avec différents matériaux (éléments piézoélectriques ou piézoélectro-magnétiques, électrodes, etc.).En raison d'une adhérence imparfaite des éléments mentionnés, différents défauts, comme le décollement et la délamination, peuvent se produire entre différents éléments. Ces situations peuvent avoir lieu lors de la fabrication et de l'exploitation des structures intelligentes actives. Les défauts mentionnés entre différents éléments constitutifs sont appelés fissures d'interface. Ces fissures sont généralement la cause principale de l'échec des constructions. Par conséquent, leur enquête est très importante pour éviter une telle défaillance et fournir la fiabilité des appareils électroniques. Différentes méthodes d'étude des problèmes de mécanique des fractures pour les corps piézoélectriques et piézoélectromagnétiques avec des fissures d'interface ont été développées jusqu'à présent. Les méthodes d'analyse des fissures d'interface dépendent essentiellement de la modélisation des conditions électriques sur les faces des fissures. Parce que les fissures sont habituellement remplies d'un milieu (air, huile de silicium, eau, etc.), il est souhaitable de tenir compte des propriétés de ce support. Pour cette raison, les modèles de fissuration perméables à l'électricité, imperméables et à perméabilité limitée sont développés et utilisés activement à l'heure actuelle. En outre, les faces des fissures peuvent parfois être recouvertes d'électrodes ou la fissure peut être remplie par un fluide conducteur. Dans les deux cas, le modèle de fissure électriquement conducteur doit être appliqué. De nombreux problèmes pour les fissures d'interface dans le cadre des modèles de fissure électriques mentionnés sont déjà résolus, mais certains problèmes importants restent résolus jusqu'à nos jours. La solution de ces problèmes définit les tâches de la présente enquête. Tout d'abord, il convient de mentionner que l'étude analytique des fissures d'interface avec des conditions électriques mixtes sur les faces des fissures est inconnue pour l'auteur de cette thèse. Par conséquent, la première tâche du travail est liée à l'étude d'une fissure d'interface dans un matériau thermique piézoélectrique sous l'action de charges mécaniques anti-avion mécaniques et planes, à condition qu'une partie des faces de fissure soit électriquement conductrice tandis qu'une autre soit électriquement perméable. En raison de la présentation des quantités électromécaniques via des fonctions analytiques en section, le problème est réduit au problème combiné de la valeur limite Dirichlet-Riemann et résolu exactement. Toutes les caractéristiques électromécaniques le long de l'interface, y compris les facteurs d'intensité de contrainte, se trouvent sous une forme analytique simple. La deuxième tâche est consacrée à la prise en compte d'une fissure d'interface électriquement conductrice avec une partie restante partiellement électrodéputée de l'interface matérielle sous le même système de chargement externe. Une attention particulière est accordée à la prise en compte du nouveau modèle de fissure d'interface, qui est exempt de l'oscillation dans le cas d'une interface complètement perméable (pas d'électrode) en dehors de la fissure. L'approche analytique basée sur la méthode des potentiels complexes est utilisée. (...)
Active materials, first of all piezoelectric and piezo-electro-magnetic ones, are often used as functional parts of different electronic devices including sensors, transducers and actuators because these materials have the ability to change their shape under electric or magnetic field. In many cases the size of the mentioned devices is relatively small, but nevertheless they can undergo to very large mechanical, electric and magnetic fields. Moreover, these devices are usually constructed of elements which can be manufactured of different materials (piezoelectric or piezoelectromagnetic elements, electrodes etc.). Because of an imperfect adhesion of the mentioned elements different defects, like debonding and delamination, can occur between different elements. These situations may take place during the manufacture and exploitation of the active smart structures. The mentioned defects between different constitutive elements are called interface cracks. These cracks are usually the main reason of constructions failure, therefore, their investigation is very important for avoidance of such failure and providing the reliability of electronic devices. Various methods of the investigation of fracture mechanics problems for piezoelectric and piezoelectromagnetic bodies with interface cracks have been developed up to now. The methods of interface crack investigations essentially depend on the modeling of the electrical conditions at the crack faces. Because cracks are usually filled with some medium (air, silicon oil, water and so on), it is desirable to take the properties of this medium into consideration. On this reason the so called electrically permeable, impermeable and limited permeable crack models are developed and actively used at present. Moreover, the crack faces can be sometimes covered with electrodes or the crack can be filled by conducting fluid. In both cases the so called electrically conducting crack model should be applied. Many problems for interface cracks in the framework of the mentioned electric crack models are already solved, however some important problems remains unresolved till nowadays. The solution of these problems defines the tasks of the present investigation. First of all it should be mentioned that the analytical investigation of interface cracks with mixed electrical conditions at the crack faces are unknown for the author of this thesis. Therefore the first task of the work is related to the investigation of an interface crack in a piezoelectric bimaterial under the action of antiplane mechanical and in-plane electric loadings provided that one part of the crack faces is electrically conducting whilst another one is electrically permeable. Due to the presentation of electromechanical quantities via sectionally-analytic functions the problem is reduced to the combined Dirichlet-Riemann boundary value problem and solved exactly. All electromechanical characteristics along the interface, including the stress intensity factors, are found in a simple analytical form. The second task is devoted to the consideration of a conductive crack and an electrode interaction at a piezoelectric bi-material interface under the action of anti-plane mechanical loading and in-plane electrical field parallel to the crack faces. Special attention is devoted to the consideration of new interface crack model, which is free from the oscillation in case of completely permeable interface (no electrode) outside of the crack. The analytical approach based upon complex potentials method is used. The third task is associated with the first one, but for piezoelectromagnetic material and an additional in-plane magnetic loading. The presentations of mechanical, electric and magnetic quantities via sectionally-analytic functions are found and the problems of linear relationship are formulated and solved exactly for any lengths of electro-magneto conducting and electro-magneto permeable parts of the crack. (...)

Cette thèse de doctorat porte sur la description analytique des phénomènes acoustophorétiques, en solutions et suspensions. L'acoustophorèse est la création d'un champ électrique par une onde acoustique.La première partie porte sur les solutions d'électrolytes, et est basée sur l'analyse critique de la littérature. A partir des différents articles, un modèle original, basé sur la résolution des équations de la dynamique pour les ions est trouvé, lequel permet la prédiction, sans paramètres ajustables, de l'acoustophorèse des sels simples pour des solutions allant de très diluées à assez concentrées. Ce modèle est ensuite étendu aux cas de solutions avec trois espèces ioniques différentes, et un programme informatique calculant l'acoustophorèse en fonction de la concentration est en annexe. Une seconde extension est faite pour les liquides ioniques, et permet de déduire le volume des ions. Des tentatives d'extension du modèle sont faites pour les micelles et les colloïdes, en précisant les écueils. Une deuxième approche, basée sur la thermodynamique irréversible et les relations de réciprocité d'Onsager, est faite dans le cas des suspensions colloïdales. Les principaux résultats sont la proportionnalité entre l'acoustophorèse et la mobilité électrique des colloïdes, et donc l'applicabilité de cette technique à la caractérisation des suspensions, y compris concentrées ; le lien rigoureux entre l'acoustophorèse et son corollaire, la création d'une onde acoustique et son champ électrique ; enfin une procédure pour séparer le signal des colloïdes du signal de l'électrolyte support dans l'acoustophorèse des suspensions réelles
This Ph.D. thesis is on the analytical description of acoustophoretic phenomena, in solutions and suspensions. Acoustophoresis is the creation of an electric field by an acoustic wave.First part is on electrolytic solutions, and it begins by a critical review of literature, from Debye first paper to a recent Ph.D. thesis on the same subject. Hypotheses are carefully selected, and a new model is deduced. This model, using pressure, friction, electric, inertia and corrective force, allows the prediction of acoustophoresis up to 0,3 molar for a simple salt, without any fitting parameter. An extension to solutions with three ionic species is done, and a Fortran program to compute the acoustophoresis as a function of the concentration is given in annex. Extension of the model, in the case of ionic liquid, allows the measurement of the volume of ions. A brief point is done on micellar and colloidal suspensions. A second part is on the application of non-equilibrium thermodynamic, especially Onsager reciprocal relation, to the acoustophoresis of suspensions. Acoustophoresis is shown to be proportional to the electric mobility, which allows the measurement of the latter in dark and concentrated suspensions. A link between acoustophoresis and the creation of acoustic wave by an electric field is also found, and a process to isolate contributions of colloids in real suspensions, with a supporting electrolyte, is proposed