Letteratura scientifica selezionata sul tema "Interactions laser-matière – Propriétés thermiques"

La nanoindentation est couramment utilisée pour déterminer les propriétés mécaniques locales des matériaux. La matière est sollicitée de façon quasi statique en appliquant un indenteur sur la surface à analyser. À partir de la courbe représentant la charge appliquée par l’indenteur sur le matériau en fonction du déplacement de l’indenteur, les modèles classiques permettent de déterminer le module d’Young local en tout point de test [Oliver & Pharr, AIP Conference proceedings 7 (1992) 1564-1583; Doerner & Nix, J. Mater. Res. 1 (1986) 601-609; Loubet et al., Vickers indentation curves of elastoplastic materials, in American Society for Testing and Materials STP 889, Microindentation Techniques in Materials Science and Engineering, Blau & Lawn eds, 1986, pp. 72-89]. Cet essai est surtout utilisé sur de petites surfaces de matière (<1 cm2), qui doivent présenter un état de surface poli et plan afin de ne pas fausser la mesure, mais n’est pas adapté sur des pièces de structure de type tôle ou sandwich composite (>1000 cm2). Par extension de la méthode CSM (Continuous Stiffness Measurement) [Asif et al., Rev. Sci. Instrum. 70 (1999) 2408-2413], l’indenteur peut servir de générateur de vibrations. Pour cela l’indenteur est positionné sur un empilement de céramiques piézoélectriques et est appliqué sur la surface à analyser à une charge fixe de 1000 mN. L’indenteur est soumis à une oscillation à une fréquence de 5 kHz, alimenté à 10 V. Les ondes ultrasonores ainsi générées, dites «ondes de Lamb», induisent un déplacement nanométrique de la surface, détectable par un vibromètre laser. Il est alors possible de suivre la propagation du front d’onde et de détecter ses interactions avec d’éventuels défauts de la structure inspectée [Boro Djordjevic, Quantitative ultrasonic guided wave testing of composites, The 39th Annual Review of Progress, 2013]. Il en résulte une cartographie complète de la surface. L’indenteur peut aussi être utilisé comme récepteur de l’onde générée. Le positionnement d’indenteurs récepteurs en plusieurs endroits de la structure permet de mesurer le temps de vol de l’onde entre l’indenteur émetteur et l’indenteur récepteur. La connaissance précise de la distance entre les points d’émission et de réception de l’onde permet de mesurer les vitesses en fonction de l’anisotropie du matériau, ce qui, à terme, peut permettre de remonter à ses constantes d’élasticité.

Les nanoparticules (NPs) de métaux nobles sont le siège d’un phénomène de résonance plasmon de surface résultant de l’oscillation collective de leurs électrons de conduction sous l’effet d’une onde électromagnétique. Dans le cas de NPs d’or et l’argent, la fréquence de résonance est située dans visible ce qui confère à ces NPs plasmoniques des propriétés optiques uniques. En particulier, la position et l’intensité de la bande de résonance plasmon peuvent varier en fonction de leur taille, leur forme (rapport d'aspect) et de l'indice du milieu hôte. Les possibilités d’applications nécessitent des échantillons purs et de distribution mono disperse. La synthèse des NPs par voie chimique permet de contrôler dans une certaine mesure la forme et la taille des NPs. Elle nécessite cependant l’utilisation d’agents stabilisants qui mènent à une contamination de surface par les résidus de synthèse. Pour limiter cet inconvénient, la technique physique d’ablation laser en milieu liquide est une alternative prometteuse qui souffre cependant d’un manque de contrôle de la forme et de la taille des NPs produites. La forme et la taille des NPs élaborées par ablation laser en milieu liquide (ALML) sont étroitement liées aux trois étapes essentielles du processus : Interaction cible/laser ; Transport de masse ; Interaction laser/NPs en suspension dans le liquide. Afin d’appréhender les mécanismes régissant chacune de ces étapes, il est nécessaire de les étudier séparément. Dans ce travail, nous nous sommes focalisés sur les mécanismes d’interaction entre le faisceau laser et les NPs en suspension dans le liquide. Suivant la densité d’énergie absorbée par les NPs en suspension, celles-ci subissent la fragmentation ou le remodelage. Par la suite nous avons étudié les mécanismes à l’origine du phénomène de la fragmentation. L’évolution de la distribution de forme des NPs lors de la fragmentation des NPs a été étudiée en développant une technique originale et quantitative de spectroscopie optique in-situ. De même, l’évolution de la fraction volumique des NPs au cours de leur élaboration par ALML par spectroscopie optique in-situ est obtenue et analysée. En parallèle aux travaux expérimentaux, nous avons développé des modèles théoriques pour la compréhension des mécanismes de formation des nanoparticules métalliques par ablation laser en un milieu liquide. Une autre étude approfondie sur la modélisation des propriétés optiques et thermiques de l'interaction Laser-Nanoparticules est discutée dans cette thèse. Un modèle thermique de Takami modifié nommé MTM (Modified Takami Model) a été également introduit. Son utilité importante a été démontrée pour l’interprétation des mécanismes de l’interaction laser-NPs
Noble metal nanoparticles (NPs) are the site of a surface plasmon resonance phenomenon resulting from the collective oscillation of their conduction electrons under the effect of an electromagnetic wave. In the case of gold and silver NPs, the resonant frequency is in the visible range, which gives these plasmonic NPs unique optical properties. In particular, the position and intensity of the plasmon resonance depend on their size, shape (aspect ratio) and the index of the host medium. The possible applications require pure samples and mono-dispersed distribution. The chemical synthesis of NPs allows the shape and size of NPs to be controlled. However, it requires the use of stabilizing agents, which lead to surface contamination by synthetic residues. To limit this disadvantage, the physical technique of laser ablation in a liquid medium is a promising alternative, which, however, suffers from a lack of control over the shape and size of the NPs produced. The shape and size of NPs produced by liquid laser ablation (ALML) are closely related to the three essential steps of the process: Target / laser interaction; Mass transport; Laser / NPs interaction suspended in the liquid. In order to understand the mechanisms governing each of these stages, it is necessary to study them separately. In this work, we focused on the mechanisms of interaction between the laser beam and the NPs suspended in the liquid. Depending on the energy density absorbed by the suspended NPs, they undergo fragmentation or remodeling. We then studied the mechanisms behind the phenomenon of fragmentation. The evolution of the shape distribution of NPs during NP fragmentation was studied by developing an original and quantitative technique of in-situ optical spectroscopy. And, the evolution of the volume fraction of NPs during their preparation by ALML by in-situ optical spectroscopy is obtained and analyzed. In parallel with the experimental work, we have developed theoretical models for understanding the mechanisms of formation of metallic nanoparticles by laser ablation in a liquid medium. A modest study on the modeling of optical and thermal properties of the Laser-Nanoparticle interaction is discussed in this thesis. A modified Takami thermal model named MTM was also presented. Its important utility has been demonstrated for mechanisms for the interpretation of the mechanisms of laser-NPs interaction

Face au développement actuel des nanotechnologies, l'étude et la caractérisation des propriétés thermiques des couches minces et des nanomatériaux devient nécessaire pour le développement et la qualité des nouvelles technologies. Notre système expérimental a été conçu et mis en oeuvre dans le but d'étudier les différents phénomènes qui régissent l'interaction matière/laser nanoseconde en temps réel. Ce système est composé de deux méthodes optiques complémentaires : la réflectivité résolue en temps RRT et la pyrométrie infrarouge rapide PIR. Nous avons montré dans un premier temps la possibilité d'étudier en temps réel les modifications de l'état de surface d'une couche mince métallique déposée sur un substrat isolant, le phénomène de photoluminescence ainsi que la cinétique de fusion/resolidification et celle de l'ablation. De plus, nous présenterons une méthode originale afin de déterminer les propriétés thermiques (la capacité calorifique volumique et la conductivité thermique) des surfaces nanostructurées. L'analyse nécessite une préparation de l'échantillon ainsi que l'utilisation d'un modèle théorique éprouvé que l'on ajuste avec un algorithme d'optimisation sur nos relevés expérimentaux
The recent development of nanotechnology has made the study and the characterisation of thermal properties of thin films and nanomaterials very important for the development and the quality of new technologies. Our experimental setup is designed and built in order to study different phenomena, in real time, that arise while the interaction of a laser with materials at the nanosecond scale. This system is composed of two complementary optical diagnostics, the time resolved reflectivity and the fast infrared pyrometry. First, we have shown the ability to study in real time the surface structural changes in the case of a thin metal layer deposited on an insulating substrate, the phenomenon of photoluminescence and the kinetics of melting/resolidification and also the ablation. In addition, we present a novel method in order to determine the thermal properties (volumetric heat capacity and thermal conductivity) of nanostructured surfaces. The analysis is based on the use of a proven theoretical model that is adjusted with an optimisation algorithm on our experimental measurements

Ce travail de thèse est dédié à l'étude des effets induits sur des matériaux à effet magnétocalorique géant par impact d'ions lourds. Ces matériaux présentent une transition de phase de premier ordre liée à une forte variation d'entropie potentiellement exploitable pour le développement de systèmes de réfrigération magnétique efficaces. En contrepartie la présence d'une hystérésis thermique et la faible gamme de température utile limitent leur potentiel. Dans ce travail, nous avons exploité les effets spécifiques de l¿impact des ions lourds à basse vitesse pour modifier ces caractéristiques, en engendrant du désordre et en créant des défauts ponctuels. Dans les couches minces d'arséniure de manganèse, qui possèdent une transition de phase magnéto-structurale, nous avons montré que ces défauts agissent comme des centres de nucléation et suppriment l'hystérésis thermique de façon stable dans le temps. En faisant varier les conditions d'irradiation, nous avons pu dégager le rôle fondamental de la densité de collisions élastiques induites par ces irradiations. Les effets des ions sur des couches minces de FeRh, un autre matériau à effet magnétocalorique géant présentant une transition de phase de type métamagnétique, ne permettent pas de supprimer l'hystérésis ce qui souligne l'importance de la présence d¿un changement de phase structurale dans le processus de suppression de l'hystérésis. Par ailleurs, nos investigations révèlent que le contrôle du nombre d'ions par unité de surface impactant l'échantillon permet de moduler la température de transition de phase. Cet effet constitue une nouvelle méthode prometteuse pour les applications
This work aims to study the effects of slow heavy ions on giant magnetocaloric materials. These materials present a first order phase transition coupled to a strong variation of entropy potentially exploitable for the development of systems of effective magnetic refrigeration. On the other hand, the thermal hysteresis and the small range of working temperatures restrict the use of these materials. In this work, we exploited the specific effects of slow heavy ions impact to modify these characteristics. Ion collisions induce disorder and point-like defects into materials. In manganese arsenide thin films, presenting a magneto-structural transition, we demonstrated that this new defects act like nucleation centers which suppress the thermal hysteresis in a stable way in time. By varying irradiation conditions, we were able to highlight the fundamental role of the density of elastic collisions generated by these irradiations. Effects of ions in iron-rhodium thin films, another giant magnetocaloric material with a metamagnetic phase transition were also studied. In this case, the thermal hysteresis is not suppressed by the ions impact indicating that the phase structural change plays an important role in the reduction of the thermal hysteresis. Furthermore our investigations demonstrated that by controlling irradiation conditions, in particular the number of incident ions on a given sample surface, the temperature of the phase transition can be modulated. This effect is a new promising method for applications

Sa conductivité électronique ou encore sa transparence optique sont autant de propriétés physico-chimiques singulières du graphène qui expliquent le nombre accru de méthodes d’exfoliation de précurseurs graphitiques développées pour l’obtention de ce matériau. Pour palier à l’utilisation d’un oxyde de graphite/graphène caractérisé par une chimie de surface mal maitrisée, des graphites fluorés, de cristallinité mais aussi de concentration en fluor variables, ont été préparés par fluoration de graphite sous fluor moléculaire pur après optimisation des paramètres. Les précurseurs, que ce soit par fluoration dynamique ou statique, ainsi obtenus ont été caractérisés finement : diffraction des rayons X, spectroscopies IR et Raman et leur texture sondée par Microscopie Electronique à Balayage et à Transmission. Suite à cela, trois méthodes d’exfoliation ont été mises en place, basées sur des mécanismes différents : i) une exfoliation par choc thermique, déjà connue mais dont les mécanismes de décomposition ont été affinés dans cette étude, ii) une exfoliation en voie liquide, avec l’utilisation pour la première fois d’un graphite fluoré pour la synthèse de graphène fluoré multi feuillets par voie électrochimique pulsée, et enfin iii) une méthode originale, peu conventionnelle, basée sur l’interaction laser femtoseconde/graphite hautement fluoré pour induire des mécanismes de réduction contrôlée, et surtout d’exfoliation de la matrice. Ces méthodes ont permis de mettre en évidence l’intérêt de la présence de fluor dans la course actuelle pour la synthèse de graphène, et ont montré l’obtention de matériaux graphéniques,possédant une fonction résiduelle fluorée intéressante pour certaines applications
Its electronic conductivity or its optical transparency are unequaled physicochemicalproperties of graphene which explain the increased number of exfoliation methods based ongraphitic precursors to obtain this material. To overcome the use of a graphite/graphene oxidecharacterized by a poorly controlled surface chemistry, graphite fluorides, with variablecrystallinity and also fluorine concentration, were prepared by fluorination of graphite under puremolecular fluorine atmosphere after optimization of the process parameters. The obtainedprecursors, whether by dynamic or static fluorination, were characterized : X-Ray diffraction, FTIRand Raman spectroscopies for the structure, and their texture probed by Scanning andTransmission Electron Microscopy. After that, three methods of exfoliation were developed, basedon different mechanisms: i) a thermal shock, already known but decomposition mechanisms wererefined in this study, ii) an exfoliation within liquid medium by pulsed electrochemical treatment,using for the first time a fluorinated graphite for the synthesis of few-layered fluorinated grapheneand finally iii) an unconventional method, based on the interaction between femtosecond laser andhighly fluorinated graphite to induce mechanisms like controlled reduction, and especially for thisstudy exfoliation of the matrix. These methods have permit to highlight the interest of fluorine inthe current race for the synthesis of graphene, and have shown the production of graphenematerials, having an interesting fluorinated residual functionalization for some applications

L’étude présentée s’inscrit dans la suite de travaux effectués lors de différents projets au sein de différents laboratoires concernant le développement d’un essai d’adhésion par choc laser. Le but est de développer une méthode d’évaluation des propriétés mécaniques après choc laser d’un assemblage collé. Il ne s’agira donc pas d’évaluer un niveau d’adhésion à l’aide du choc laser, mais de considérer et d’évaluer l’influence éventuelle d’un choc laser sur les propriétés mécaniques d’un assemblage. Cette étude ne concerne donc que des assemblages sains dont il conviendra d’évaluer les propriétés mécaniques avant et après choc, pour différentes amplitudes dans la gamme de pression usuelle de la méthode LASAT (LASer Adhesion Test). Cette caractérisation d’assemblages passe par le choix d’une méthode adaptée aux joints de colle, capable de prendre en compte les spécificités liées à la géométrie du substrat, mais aussi de générer un champ de contraintes souhaité. La méthode retenue est l’essai mécanique ARCAN, capable d’évaluer la tenue d’un assemblage collé sous sollicitations quasi-statiques, en traction, en cisaillement ou mixtes. En outre, l’essai ARCAN permet l’identification de lois de comportements des joints de colle. De même, il est possible de caractériser les lamelles composites dans leur comportement hors plan. Ce travail a été réalisé à l’Institut de recherche Dupuy de Lôme (IRDL), sur le site de l’ENSTA Bretagne (Brest), en partenariat avec Engie Ineo dont l’activité, la construction de radômes en matériaux composites, est concernée par les questions de contrôle des assemblages collés. Ces travaux ont aussi été l’occasion d’une collaboration avec le CEA DAM DIF qui a mis à disposition le code de simulation d’interaction laser - matière ESTHER
The study presented follows on from the work carried out during different projects in different laboratories concerning the development of a laser shock adhesion test. The goal is to develop a method for evaluating the mechanical properties after laser impact of a bonded assembly. It will therefore not be a question of evaluating a level of adhesion using laser shock, but of considering and evaluating the possible influence of a laser shock on the mechanical properties of an assembly. This study therefore only concerns healthy assemblies, the mechanical properties of which should be evaluated before and after impact, for different amplitudes in the usual pressure range of the LASAT method (LASer Adhesion Test). This characterization of assemblies involves the choice of a method suitable for adhesive joints, capable of taking into account the specificities linked to the geometry of the substrate, but also of generating a desired stress field. The method adopted is the ARCAN mechanical test, capable of evaluating the resistance of a bonded assembly under quasi-static stresses, in tension, in shear or mixed. In addition, the ARCAN test allows the identification of behavioral laws of adhesive joints. Likewise, it is possible to characterize the composite lamellae in their out-of-plane behavior. This work was carried out at Institut de Recherche Dupuy de Lôme (IRDL), on ENSTA Bretagne site (Brest), in partnership with Engie Ineo whose activity, the construction of radomes in composite materials, is concerned with questions of control of bonded assemblies. This work was also the occasion of a collaboration with the CEA DAM DIF which made available ESTHER laser - material interaction simulation code

Afin de comprendre les mécanismes de transport de la chaleur dans des films très minces des matériaux amorphes, nous avons proposé et démontré expérimentalement une nouvelle technique de mesure des propriétés thermiques de membranes très minces. Cette technique consiste à coupler la méthode 3 oméga avec la géométrie Völklein (membrane suspendue allongée). L'échantillon d'intérêt est alors monté dans un pont de Wheatstone spécifique afin d'éliminer le signal électrique 1 oméga. Cette technique permet de mesurer avec une très haute sensibilité le signal thermique 3 oméga et donc les propriétés thermiques des membranes. Le nitrure de silicium étudié dans ce travail constitue un matériau amorphe typique. Nous avons été intéressés par l'étude du transport thermique dans un tel système de dimensions réduites en fonction de la température et du stress intrinsèque qui présente dans les films. Afin d'atteindre cet objectif, les membranes de nitrure de silicium de stress élevé et de faible niveau de stress ont été mesurées respectivement pour une épaisseur de 50 nm et 100 nm. Le comportement global de la conductivité thermique mesurée est une croissance quand la température augmente, une tendance généralement constaté pour un matériau amorphe. Le data de membrane de 50 nm présente une conductivité thermique inférieure à celle du 100 nm, ce qui est en accord avec l'effet des dimensions réduites. La chaleur spécifique mesurée s'écarte sensiblement de la loi en T3 de Debye. Cela est particulièrement important en dessous de 100 K où la chaleur spécifique est plus élevé que celle prévue par la modèle Debye. Ces résultats expérimentaux sont en excellent accord avec les prévisions d'un model théorique qui tient en compte de l'effet TLS (Two Level System) qui présente dans le matériaux amorphe. Il a été montré expérimentalement que le stress n'a pas d'effet sur la chaleur spécifique de nitrure de silicium. De plus, nous avons démontré que le stress n'affecte pas la dissipation dans nitrure de silicium, et la dissipation par dilution semble être la cause de la réduction de la dissipation. Par conséquent, le stress ne devrait pas affecter la conductivité thermique du nitrure de silicium, ce qui est cohérent avec les résultats expérimentaux. En terme d'application de la méthode 3 oméga-Völklein, nous avons démontré que la membrane de SiN peut être utilisée comme capteur thermique spécifique pour caractériser un autre matériau déposée sur la face arrière de la membrane. Nous avons testé ce modèle pour mesurer les propriétés thermiques d'un film de 200 nm de Bi2Te3. Les résultats obtenus sont en excellent accord avec la littérature. Comme le SiN est un matériau isolant, ce modèle est capable de mesurer des films très minces quelle que soit sa nature, isolant, semi conducteur ou métallique.

Le but de cette thèse pluridisciplinaire est d’étudier le problème de l’interaction fluide-structure à partir du point de vue mathématique et physique. Des problèmes d’interaction d’un fluide visqueux avec une structure élastique décrivent, par exemple, des interactions entre le manteau terrestre et de la croûte terrestre, le sang et la paroi vasculaire dans un vaisseau sanguin, etc. En génie l’interaction fluide visqueux-structure apparaît lors de la formation de solution colloïdale quand un laser passe à travers le fluide influençant le substrat (ablation laser dans un liquide). Fusion sélective au laser (FSL) est utilisée pour étudier le comportement des contraintes résiduelles en dépendance des propriétés thermoélastiques et mécaniques du matériau et des formes variées des cordons rechargés. A partir du point de vue mathématique le système couplé “flux fluide visqueux – plaque mince élastique” en 3D lorsque l’épaisseur de la plaque, E, tend vers zéro, tandis que la densité et le module de Young du matériau élastique sont d’ordre 1 et E-3, respectivement, est considéré. Le solide est couché par le fluide qui occupe un domaine épais. La modélisation multi-échelle est effectuée pour la partie élastique. Le développement asymptotique complet est construit lorsque E tend vers zéro. L’existence, la régularité et l’unicité de la solution pour le problème initial sont étudiées au moyen de techniques variationnelles. La méthode de décomposition asymptotique partielle du domaine est appliquée pour le système couplé. L’erreur de la méthode est évaluée
The goal of this multi-disciplinary thesis is to study the fluid-structure interaction problem from mathematical and physical viewpoints. Viscous fluid-structure interaction problems describe, for example, interactions between the Earth mantle and the Earth crust, the blood and the vascular wall in a blood vessels, etc. In engineering viscous fluid-structure interaction appears during colloidal solution formation when a laser pierce through the fluid influencing the substrate (laser ablation in a liquid). Selective laser melting (SLM) is used to study the behavior of residual stresses depending on the thermoelastic and mechanical properties of the material and on various forms of reloaded beads. From mathematical point of view the coupled system “viscous fluid flow-thin elastic plate” in 3D when the thickness of the plate, E, tends to zero, while the density and the Young’s modulus of the plate material are of order 1 and E-3, respectively, is considered. The plate lies on the fluid which occupies a thick domain. The multi-scale modeling is performed for the elastic part. The complete asymptotic expansion is constructed when E tends to zero. The existence, the regularity and the uniqueness of the solution for the original problem are studied by means of variational techniques. The method of asymptotic partial domain decomposition is applied for the coupled system. The error of the method is evaluated