Cette thèse est consacrée à l'étude par résonance magnétique nucléaire (RMN) des propriétés magnétiques du composé Cu2(C5H12N2)2Cl4 (CuHpCl). Ce système de spins quantiques 1/2 a longtemps été considéré comme une réalisation expérimentale d'un système d'échelles de spins. Son diagramme de phase en fonction du champ magnétique est très riche, avec en particulier un état fondamental liquide de spin en champ nul et deux transition de phase quantique aux champ Hc1=7.5 Tesla et Hc2 = 13 Tesla. Le but premier de cette étude est une clarification de certaines zones de ce diagramme de phases, en particulier la phase basse température comprise entre Hc1 et Hc2 qui présente un ordre magnétique tridimensionnel. A travers l'étude d'un composé spécifiquement deutéré, nous avons montré la nature commensurable de cette phase ordonnée et étudié la nature de la transition en fonction de H et de T. Mais l'apport principal de cette étude, est la mise en évidence de l'apparition à basse température d'une aimantation transverse alternée due à des interactions anti-symétriques, similaire à celle observée dans d'autres composés liquide de spins tels que NENP ou SrCu2(BO3)2. Cette aimantation apparaît pour des champs inférieurs à Hc1 et persiste pour H> Hc2. CuHpCl semble être le seul composé à présenter la coexistence de cette aimantation alternée et d'une phase magnétique 3D. Cette aimantation alternée est également observée dans les mesures d'aimantations par couple menées sur ce composé. Enfin, dans le but de comprendre les chemins d'échanges dans CuHpCl, nous avons entrepris un étude préliminaire (RMN et mesures d'aimantation) de composés dérivés (méthylés) de CuHpCl.

Au cours de ce travail ont été développés deux formalismes, qui dans une approche de champ moyen, relient analytiquement la structure magnétique aux structures de charge associées. Dans l'état ordonné magnétiquement les nouvelles périodicités de charge se déduisent ainsi très directement de la périodicité magnétique. Dans le cas des modifications de l'asphéricité de la couche 4f, la modélisation permet l'identification des composantes multipolaires en cause. Lorsque la redistribution de la charge intervient par des déplacements des ions magnétiques, un second modèle prévoit les composantes de Fourier des ondes de déplacement et leur polarisation. Le premier phénomène a été étudié d'une manière systématique sur le composé NdMg ce qui a permis la validation du modèle proposé. Dans le cas de TbMg, il est montré que la diffraction multipolaire des rayons X peut être une alternative pour la détermination de la structure magnétique, quand plusieurs modèles de structures magnétiques sont compatibles avec les diagrammes de diffraction des neutrons sur poudre. L'existence des ondes de déplacement des atomes magnétiques sous l'influence des couplages d'échange a été confirmé dans le composé GdB6. A partir de la connaissance des propagations de la structure magnétique, déduites de la première étude de diffraction de neutrons sur poudre dans ce composé, les différentes propagations attendues pour les ondes de déplacement ont été déterminées.

L'échange multiple décrit de manière effective les propriétés magnétiques d'un système de fermions quasiment localisés. Nous considérons ce modèle pour des spins 1/2 sur le réseau triangulaire avec des processus à 2, 3, 4, 5 et 6 particules. Cet hamiltonien est aujourd'hui reconnu comme étant un bon candidat pour décrire le magnétisme nucléaire des films d'3He solide adsorbés sur du graphite. Nous l'étudions par diagonalisations exactes sur des échantillons jusqu'à 36 sites. Dans un large domaine de paramètres, l'analyse des effets de taille finie sur les énergies propres, la structure des spectres et les fonctions de corrélation amènent à conclure que les fluctuations quantiques détruisent l'ordre magnétique à température nulle. L'état fondamental est caractérisé par une longueur de corrélation finie, c'est un liquide de spins où les excitations magnétiques possèdent un gap. Nous calculons la chaleur spécifique et trouvons une entropie importante à basse température, en accord avec les mesures expérimentales. La réponse à un champ extérieur révèle un plateau d'aimantation à M/M(sat)=1/2. Nous discutons les conditions d'apparition d'un tel plateau et les comparons avec les situations, mieux comprises, de la dimension un ainsi que celle de spins classiques. Pour le plus grand système étudié (36 sites), le fondamental possède une quasi-dégénérescence quatre. Cette dégénérescence ne s'explique pas par une brisure spontanée de symétrie mais elle conduit à une interprétation topologique. Nous suggérons une image de ``resonating valence-bond'' (RVB) à courte portée pour la fonction d'onde du fondamental et discutons du lien éventuel avec la phase de HALDANE et les états de type ``valence-bond solid''. Le modèle d'échange multiple sur le réseau triangulaire semble un des tous premiers exemples d'hamiltonien bidimensionnel de spins 1/2 dont le fondamental ne brise aucune de symétrie à température nulle.

Ce travail de thèse porte sur l'anisotropie d'échange dans les agrégats nanométriques de cobaltet d'alliage nickel-cuivre de 4-5 nm déposés sur des couches antiferromagnétiques CoO (111). Les agrégats étudiés sont élaborés par pulvérisation magnétron et condensation de vapeur d'atomes. La croissance de couchesde CoO (111) sur substrat saphir est réalisée par pulvérisation réactive. Des mesures sur particules uniques sont effectuées en utilisant la magnétométrie à μSQUID: Les développements récents de cette technique nous ont permis de réaliser pour la première fois des mesures de cycles d'aimantation sur particules uniques de quelquesnanomètres. Les propriétés magnétiques intrinsèques des agrégats sont d'abord étudiées. Les agrégats de cobalt ont un magnétisme de Stoner-Wohlfarth et présentent l'aimantation spécifique du massif. La première étude expérimentaledu magnétisme d'agrégats nanométriques nickel-cuivre couvrant l'ensemble des compositions ferromagnétiques est présentée. Ces particules ont une aimantation spécifique plus faible que dans l'alliage massif, ce qui pourrait être attribué d'une part à leur structure icosaédrique et d'autre part à l'influence de l'environnement local des atomes de surface. Des mesures de diffraction de rayons X 'haute résolution' sur les couchesCoO (111) déposées sur Al2O3 (0001) mettent en évidence la croissance en épitaxie dans la direction [111], une grande longueur de cohérence du réseau cristallin ainsi qu'une anisotropie structurale et morphologique, en partie liée à un miscut du substrat. Le couplage d'échange est étudié sur une assemblée de particules ainsi que sur particules uniques. Les résultats obtenus montrent que l'AF ne reste pas rigide, du fait d'un fort couplage avec une configuration detype 'spin-flop'. Une direction particulière de décalage d'échange est mise en évidence avec une état bistable dans l'AF lorsque le système est refroidi à champ nul.

Les matériaux semiconducteurs jouent aujourd'hui un grand rôle dans les dispositifs électroniques et optoélectroniques. En particulier, qu'il s'agisse des télécommunications par voies Hertziennes ou Microondes, sur Terre ou en liaison avec des satellites, ou encore de radars ou de gestion de l'énergie, les semiconducteurs à grande largeur de bande interdite (dits 'Grands Gaps') s'avèrent particulièrement intéressants pour la génération de puissance. Si on compare les différentes propriétés électriques du Nitrure de Gallium et du Carbure de Silicium (SiC) avec celles du Silicium et de l'Arséniure de Gallium (GaAs) on voit immédiatement que des champs électriques critiques élevés en raison de leur grande énergie de bande interdite combinés à des grandes vitesses de saturation pour les électrons impliquent de grandes potentialités en termes de puissance et de fréquence de fonctionnement. Malgré la quasi-absence de substrat natif, l'élaboration du matériau GaN a énormément progressé suite à l'engouement provoqué par la réalisation et la commercialisation de diodes électroluminescentes et de lasers dans le domaine visible. Le recours à l'hétéro-épitaxie associé à une sensibilité relativement faible aux défauts tels les dislocations traversantes, a permis le développement des dispositifs. Un avantage pour GaN est également de pouvoir construire des hétérojonctions parfaites avec des alliages de la famille des nitrures d'éléments III comme AlGaN, InGaN, etc... Pour la génération de puissance à hautes fréquences, le transistor à électrons de haute mobilité HEMT (dit encore HFET, TEGFET ou MODFET) basé sur l'hétérojonction AlGaN/GaN s'est rapidement imposé par rapport au MESFET GaN, ou encore par rapport transistor bipolaire GaN. Dans ce mémoire, après une description de mon parcours dans la recherche, depuis la thèse jusqu'à ce jour, sont présentées les principales composantes d'une structure HEMT AlGaN/GaN ainsi que leur influence sur le comportement des composants. Une attention particulière est portée aux couches tampons et à l'influence de leur qualité structurale sur l'isolation électrique et sur la mobilité dans le gaz bidimensionnel d'électrons confiné à l'interface AlGaN/GaN. Ces propriétés seront mises en relation avec les caractéristiques de sortie Ids(Vds,Vgs) des transistors réalisés sur des structures élaborées par Epitaxie par Jets Moléculaires sur différents types de substrats (Silicium, SiC et Tremplins GaN sur Saphir). On montrera également tout l'intérêt de passer d'une stratégie d'isolation électrique reposant sur le piégeage des électrons par les dislocations à un mode d'isolation basé sur l'incorporation d'impuretés compensant le dopage résiduel de type n dans la couche tampon GaN. Après avoir donné les perspectives liées à ces études, ce document présentera un nouveau projet de recherche sur le développement de dispositifs électroniques à transport vertical à base d'hétérostructures Al(Ga)N/GaN intégrées dans des nanostructures. Enfin, après le rappel des autres activités connexes à mon travail de recherche, ce document se termine par la liste de mes publications et communications accompagnée d'une sélection de publications.

Cette thèse est dédiée à l'étude et à la caractérisation de boîtes quantiques (BQs) GaN réalisées sur une couche épaisse d'Al0.5Ga0.5N. Une BQ se comporte comme un puits de potentiel qui confine les porteurs de charges dans les trois dimensions de l'espace. Le spectre d'énergie d'exciton localisé dans une BQ dépend fortement de sa taille, qui est de l'ordre de quelques nanomètres. La compréhension des mécanismes de croissance et des propriétés physiques et structurelles des objets nanométriques, telles que des BQs, nécessite l'utilisation d'outils de caractérisation adaptés à leur faible taille. La microscopie électronique en transmission (MET), largement employée dans ce travail, est une des rares techniques qui permettent ce genre d'études. Le premier chapitre est consacré à l'introduction des fondements physiques de la microscopie électronique en transmission et à ses modes de fonctionnement. La technique de microscopie électronique en transmission haute résolution (METHR) et les facteurs limitant la résolution du microscope sont discutés en détail. Ensuite, les aspects de microscopie quantitative, tels que la simulation des images METHR et les méthodes de mesure de contrainte de la maille atomique à partir d'images METHR sont présentés. Deux techniques complémentaires au METHR, notamment l'imagerie en contraste de Z en mode balayage (STEM-HAADF) et la spectroscopie des pertes d'énergie (EELS) sont introduites à la fin de ce chapitre. Dans le deuxième chapitre les champs d'application des nitrures d'éléments-III et certains problèmes fondamentaux liés à leur croissance épitaxiale sont discutés. Après cela, deux techniques de la croissance de ce type d'hétérostructures - l'épitaxie par jets moléculaires (EJM) et l'épitaxie en phase vapeur d'organo-métalliques (EPVOM) - sont présentées. Ce chapitre se termine par la description des propriétés structurales des matériaux nitrures, y compris leur structure cristalline et les propriétés élastiques. Dans le troisième chapitre, l'adaptation de l'imagerie METHR pour l'étude des matériaux à base de GaN est présentée. Tout d'abord, le moyen d'évaluation de la composition chimique dans une hétérostructure par la mesure des contraintes de la maille atomique à partir d'images METHR est décrit. L'effet de la distorsion de la maille atomique d'une couche mince due au désaccord paramétrique est pris en compte de manière analytique. Un rapport numérique entre le paramètre de réseau local et la composition des alliages InxGa1-xN/GaN et AlxGa1-xN/Al0.5Ga0.5N est déterminé. L'influence des incertitudes des constantes élastiques ainsi que l'effet de la relaxation de surface sur la précision de la détermination de la composition sont discutés. Ensuite, une comparaison de deux techniques de mesure de contrainte, l'analyse des phases géométriques (GPA) et la méthode de projection, est présentée. Pour réaliser le traitement des images HRTEM dans l'espace réel (méthode de projection) un script dédié a été développé. Les deux méthodes ont été appliquées à des images modèles afin d'évaluer leurs performances pour la mesure des variations rapides de contrainte et pour le traitement des images bruitées. Il a été montré que la méthode GPA peut créer des fluctuations artificielles là où la contrainte varie rapidement. La méthode de projection est capable de mesurer les variations rapides de contrainte à l'échelle atomique, mais sa précision diminue considérablement pour les images bruitées. Les effets des conditions d'imagerie sur les mesures de contrainte ont été mis en évidence dans la dernière partie de ce chapitre. Les images METHR en axe de zone et hors axe de zone ont été simulées par le logiciel Electron Microscopy Software (EMS) en utilisant les paramètres d'imagerie typique pour un microscope JEOL 2010F et un microscope Cs-corrigé Titan 80-300. Le rôle critique de l'épaisseur de l'échantillon pour l'imagerie quantitative METHR en axe de zone a été montré. Les gammes de défocalisation appropriées pour une détermination fiable des déplacements atomiques pour certaines épaisseurs d'échantillon ont été déterminées. La même étude a été faite pour des images METHR acquises hors axe de zone. Les conditions d'acquisition METHR adaptées aux mesures de contrainte ont été appliquées pour l'étude des BQs GaN/AlGaN. Cette étude, présentée dans le quatrième chapitre, a révélé plusieurs phénomènes originaux pour les nitrures d'éléments III. Un changement de forme des BQs de surface de pyramides parfaites à pyramides tronquées avec l'augmentation de l'épaisseur nominale de GaN déposé a été observé. Le recouvrement des BQs par une couche d'AlGaN mène à une modification de leur forme de pyramide parfaite à pyramide tronquée. Dans le même temps, le volume moyen des BQs augmente. Un comportement similaire a été révélé pour des BQs GaN recouvertes par de l'AlN. Une séparation de phase a été observée dans les barrières AlGaN recouvrant les BQs avec formation de zones riches en Al au-dessus des BQs et de régions riches en Ga placées autour des zones riches en Al. La concentration en Al dans les zones riches en Al est d'environ 70% et elle diminue avec la distance à la BQ; la concentration en Ga varie de 55% à 65%. Les facettes latérales des zones riches en Al sont bien définies, leur forme et leur taille sont similaires à celles des BQs au-dessus desquelles elles sont placées. Une séparation de phase a également été observée dans les échantillons avec des boîtes quantiques anisotropes (quantum dashes). Les observations en microscopie électronique en transmission à balayage en mode Z-contraste (STEM-HAADF) ont fourni une preuve indépendante du phénomène de séparation de phases dans les barrières AlGaN. De plus, l'intensité des images HAADF a été convertie en compositions locales en gallium, à l'aide de simulations du signal HAADF. La concentration moyenne en Al de 70% dans les zones riches en Al obtenue par l'analyse HAADF a été confirmée par spectroscopie de pertes d'énergie électronique. En outre, l'analyse précise du changement de l'énergie de plasmon a révélé une diminution progressive de la composition en Al avec l'augmentation de la distance à la BQ. Pour expliquer les phénomènes observés, différents modèles basés sur les données expérimentales ont été élaborés. Nos explications sont fondées sur le principe de minimisation de l'énergie totale des BQs. La variété des formes des BQs de surface est expliquée par la compétition entre l'énergie de surface et l'énergie élastique accumulée dans les BQs. L'augmentation du volume des BQ pendant leur recouvrement est expliqué par le transport de GaN de la couche de mouillage vers la BQ, qui peut aussi être relié à une baisse de l'énergie élastique. Une séparation de phase dans les barrières AlGaN est aussi expliquée par la relaxation de la contrainte introduite par la présence des BQs. Plusieurs voies, basées sur les résultats de cette étude et en vue de l'amélioration des propriétés des dispositifs optoélectroniques sont proposées. Par exemple, la fabrication de BQs sans couche de mouillage est une approche perspective pour augmenter l'efficacité de photoluminescence.

Ce travail a porté sur la croissance par épitaxie par jets moléculaires de semiconducteurs nitrures semipolaires orientés (11-22) déposés sur des substrats de saphir m. L'orientation cristallographique (11-22) est obtenue lors du dépôt d'AlN en excès d'azote. Sur cette couche tampon d'AlN, des couches bidimensionnelles de GaN non dopé ou dopé Si sont obtenues dans des conditions riche Ga, avec un excès stabilisateur d'une monocouche de Ga. Au contraire, l'incorporation d'atomes de Mg inhibe la formation de la monocouche. Cependant, des couchées uniformément dopées p ont été obtenues. Des puits quantiques GaN/AlN ont été fabriqués en utilisant les conditions de croissance ci-dessus. La transition 2D-3D nécessaire à la formation de boîtes quantiques est observée lorsque le dépôt de GaN est suivi d'un arrêt sous vide. La réduction du champ électrique interne dans les nanostructures GaN/AlN est confirmée par le décalage vers le bleu de leurs spectres de photoluminescence et par les courts temps de déclin mesurés à basse température. Ces résultats sont cohérents avec les calculs théoriques de leur structure électronique.

L'objet de ce rapport est l'étude de la croissance épitaxiale de systèmes métalliques sur Si(001). Nous présentons dans un premier temps une étude de la croissance du cuivre à température ambiante en s'appuyant sur un grand nombre de techniques de caractérisation : RHEED, AES, TEM, GIXRD. Pour la première fois nous mettons en évidence l'effet de l'hydrogénation de la surface du silicium et sa nécessité pour la croissance épitaxiale du cuivre. L'hydrogénation en inhibant l'interdiffusion conduit à la formation contrôlée d'une couche épitaxiée quasi continue de siliciure de 2 nm d'épaisseur. La structure cubique centrée identifiée est proche de la phase b-Cu0.83Si0.17 avec un paramètre de maille a = 0,288 nm. Une étude de la morphologie de croissance du cuivre par STM et TEM est présentée. Le cuivre métallique en épitaxie sur ce siliciure présente une forte texturation {001} de pseudo grains colonnaires dont la taille latérale homogène augmente avec l'épaisseur de cuivre déposé.<br />La dernière partie de ce rapport présente deux études de systèmes à anisotropie magnétique perpendiculaire épitaxiés sur Si(001) : Cu/Ni et FePd. Dans le système Cu/Ni, nous montrons à partir d'expériences de AES et d'un modèle de ségrégation la présence d'une zone d'interdiffusion de 1 à 2 nm qui explique en grande partie la diminution du moment magnétique mesuré sur des couches de nickel de faible épaisseur. Finalement, à partir de la formation contrôlée d'un siliciure de cuivre ou de fer, nous rapportons pour la première fois la possibilité d'épitaxier sur Si(001) des couches d'alliage ordonné L10-FePd(001) présentant une forte anisotropie magnétique perpendiculaire.

L'3He est un liquide de Fermi modèle, isotrope, pur, de température de Fermi accessible, et dont les interactions sont aisément contrôlées en faisant varier la pression du liquide. Ce manuscrit présente des mesures précises de susceptibilité magnétique nucléaire par RMN continue de l'3He liquide en fonction de la température et de la pression. Les principaux efforts expérimentaux sont portés sur la thermométrie, la mesure de la pression de l'3He in situ pour étendre les mesures jusqu'à la pression de solidification, ainsi qu'une caractérisation soigneuse du spectromètre RMN. <br /><br />Nos mesures remettent en cause d'environ 5% les résultats de référence pour la température de Fermi effective en fonction des interactions. L'extraction du paramètre de Landau F0a dépend aussi de la masse effective déterminée par des mesures de chaleur spécifique, et par conséquent de l'échelle de température. La ré-analyse des mesures de chaleur spécifique dans l'échelle PLTS-2000 implique une augmentation de la masse effective de 4,5%. F0a est donc déterminé dans ce manuscrit pour deux échelles de température (PLTS-2000 et Greywall). Contrairement aux résultats antérieurs, la dépendance en densité de F0a ne montre pas de saturation vers les hautes pressions.

Ce mémoire de « Habilitation à Diriger des Recherches » est divisé en deux parties. <br /><br /> La partie I est composée de trois chapitres. Les deux premiers traitent des interactions entre porteurs et vibrations du réseau. Le troisième est consacré aux états électroniques non-liés des boîtes quantiques. <br />Le premier chapitre de la première partie (I-1) présente une description générale de l'interaction électron-phonon dans les semiconducteurs, du massif aux boîtes quantiques. L'étude des interactions entre porteurs et vibrations du réseau a grandement bénéficié des importantes avancées dans les domaines de l'élaboration de matériaux nanostructurés et des techniques d'analyse spectroscopiques. L'accès à la structure fine des transitions optiques (par exemple, par des techniques de sonde locale à haute résolution spectrale et/ou temporelle) a permis la mise en évidence de différents effets liés aux couplages électron-phonons. Ainsi, les ailes de phonons acoustiques d'une paire radiative confinée dans une boîte quantique ont été observées dans différents types de boîtes quantiques. De même, l'existence d'un fort couplage entre les porteurs confinés et les vibrations optiques est désormais bien établie. Finalement, les processus de diffusion des porteurs par les phonons, omniprésents en physique des semiconducteurs massifs, est encore aujourd'hui au centre de nombreuses études expérimentales et théoriques dans les nanostructures. Le chapitre 1 présente donc une revue de ces différents aspects du couplage entre porteurs et phonons : leur description et leurs conséquences optiques. Il faut noter que le matériel de ce chapitre ne correspond pas à une contribution personnelle de « recherche » dans le domaine, mais plutôt à un souci pédagogique de présentation, d'une manière unifiée, des différentes facettes de l'interaction électron-phonon dans les boîtes quantiques auto-organisées <br />Le deuxième chapitre de la première partie présente une discussion détaillée des états polarons (première partie du chapitre : I-2A) et de la relaxation en énergie (deuxième partie du chapitre : I-2B) dans les boîtes quantiques auto-organisées de semiconducteurs. Ces états correspondent aux véritables excitations élémentaires des boîtes quantiques auto-assemblées. En effet, la description d'ordre zéro en termes d'états découplés électrons-phonons devient inappropriée en présence d'un fort couplage entre les porteurs confinés et les vibrations du réseau. On n'a pas fini d'explorer toutes les conséquences de ce couplage fort, encore aujourd'hui au centre de nombreuses études théoriques et expérimentales. Parmi les champs actuels d'investigations dans ce domaine, il faut citer :<br />(i) l'étude de la dynamique (linéaire) de relaxation de l'énergie des états excités d'une boîte quantique, mettant en jeu des processus intrinsèquement liés aux états mixtes de polarons (comme la désintégration par couplage anharmonique ; voir deuxième partie du chapitre) ;<br />(ii) les mises en évidence de couplage polaron pour les transitions optiques des boîtes quantiques chargées avec un trou (domaine FIR) ou intrinsèques (en optique interbande) ;<br />(iii) les études récentes de la dynamique non-linéaire (sous excitation FIR intense) des transitions polarons des boîtes;<br />(iv) l'observation d'un effet polaron pour les boîtes doublement chargées.<br /><br />Le chapitre trois de la première partie (I-3) est un article de revue sur les états non-liés des boîtes quantiques de semiconducteurs. La plupart des études sur les boîtes quantiques sont focalisées sur la partie basse énergie du spectre (états liés). Le spectre continu joue toutefois un rôle de premier plan dans beaucoup de situations : par exemple, ce sont les états finals pour les processus d'ionisation des boîtes dopées, ou les états initials pour les processus de capture (chargement des boîtes). Ces processus d'ionisation et (re)-capture se trouvent au sein même du fonctionnement de différents dispositifs, comme les détecteurs et lasers à base de boîtes quantiques. De même, ils jouent un rôle décisif dans les transitions optiques inter-bandes, à cause des transitions « croisées », c'est-à-dire, faisant intervenir des états liés d'une bande avec des états du continuum de l'autre. Pourtant, peu de travaux ont été consacrés à l'analyse de ces états. Une bonne partie du travail discuté dans ce chapitre est le résultat d'une longue étude, initiée au LPA il y a maintenant une petite dizaine d'années avec les premières études des mécanismes de capture assistée par les phonons et de relaxation Auger intra-boîte, poursuivie par le travail d'A. Vasanelli sur le fond spectral d'absorption inter-bandes, et consolidée par les récentes simulations numériques de N. D. Phuong et N. Regnault de la magnéto-absorption de différentes structures à boîtes quantiques pour la photo détection IR. Comme souligné à la fin de ce chapitre, les états non-liés jouent un rôle important dans bien d'autres situations physiques, comme pour les états « liés » excités à plusieurs particules. Ces voies de recherche, plus récentes, sont encore à leurs commencements.