Depuis la découverte des polymères conducteurs, de nombreuses études ont été menées afin d’utiliser ces nouveaux matériaux semiconducteurs en tant que couche active de composants électroniques. Dans cette thèse nous nous intéressons à deux composants clés de l’électronique organique : Les transistors à effet de champs et les mémoires à nano-grille flottante seront réalisés à la fois sur des substrats rigides et flexibles. Pour l’optimisation de nos dispositifs, nous avons choisi de travailler sur les interfaces.Tout d’abord, des monocouches auto-assemblées SAMs ont été utilisés pour optimiser les interfaces électrode/SCO et diélectrique/SCO de l’OFET : des mobilités de 0.68 cm2V-1S-1 et des rapports on/off ˃106 ont été obtenus. Par la suite, nous avons fabriqué des dispositifs de mémoire à simple grille flottante SFG en utilisant les en nanoparticules (NP) d’or et à double grille flottante DFG en utilisant les NP d’or et des feuillets de graphène comme couches de piégeage de charges. En particulier, les DFG avec PFBT présentent en effet d'excellentes performances (une large fenêtre mémoire de 51 V et un temps de rétention stable et de plus de 108s).Ensuite, nous avons fabriqué tous les dispositifs sur des substrats souples en kapton avec des processus de fabrication simples et à basse température. Ces NFGM flexibles ont été caractérisés et leurs performances mesurées (fenêtre mémoire de 23V). Nous avons également mis en évidence un piégeage multi-niveaux dans les NP. De plus, ces composants ont montré une bonne résistance aux tests de flexibilité et de pliage et une stabilité très satisfaisante (supérieure à 500 cycles). / Organic field effect transistor (OFET) and organic based nano-floating gate memory (NFGM) devices are essentially expected to meet emerging technological demands that realizing flexible and wearable electronic devices. The objective of this thesis is to develop and optimize the pentacene OFET and NFGM based on rigid and flexible substrates. First, self-assembled monolayers (SAMs) were used to optimize the OFET, a high mobility of 0.68 cm2V-1S-1 and current on/off ratio ˃106 were obtained. Then, we fabricated single floating gate (SFG) and double floating gate (DFG) memory devices by using gold nanoparticles (Au NPs) and reduced graphene oxide (rGO) sheets as charge trapping layers. In particular, the DFG with PFBT exhibits excellent memory performances, including the large memory window of 51 V, and the stable retention property more than 108 s. Third, we fabricated all organics based OFET and NFGM on kapton flexible substrates with simple fabrication process under low temperature. The large memory window of 23 V was obtained, and the multi-level data storage performance was observed for our flexible NFGM devices. In addition, the bending stability/mechanical stability test present high current on /off ratio ˃105, retention time ˃104, as well as cycling exceed 500 cycles. Based on the experiments results of this work, we highlight the efficient ways to optimize the OFET and fabricate the high performances of flexible NFGM by simple fabrication process.

Les films minces déposés sur des substrats flexibles ont été intensivement étudiés ces dernières années en raison de leur nombreuses applications en électronique flexible. Depuis peu, l'électronique flexible est étendu aux matériaux magnétiques conduisant ainsi au domaine émergeant de la magnéto-électronique flexible actuellement à l'avant garde des sujets de recherche de la spintronique. Ce travail de thèse est dédié à l'étude des propriétés magnéto-mécaniques de films minces magnétiques (Ni, NiFe, Co2FeAl, CoFeB, FeCuNbSi) sur des substrats flexibles. Les analyses structurales ont montré que les films de Ni et de CFA sont polycristallins non-texturés ; le CFB est amorphe. Par conséquent, les propriétés élastiques et magnéto-élastiques de ces films sont considérées comme étant isotropes. Une technique basée sur une utilisation conjointe d'essai mécanique, la résonance ferromagnétique (FMR) et la corrélation d'images numériques (CIN) a été développée pour étudier les propriétés magnéto-mécaniques de films minces sur substrats flexibles. A l'aide de cette méthode, il est possible de suivre l'évolution de l'anisotropie résiduelle omniprésente dans les films magnétiques sur substrats flexibles. Cette anisotropie est liée aux propriétés mécaniques contrastées lorsqu'on dépose un film mince rigide (grand module d'Young) sur un substrat flexible (petit module d'Young). L'effet du recuit sur les propriétés élastiques et magnéto-élastiques a été soigneusement étudié dans le film CFB validant ainsi l'intérêt porté à ses alliages pour des applications en spintronique. Enfin, la résonance ferromagnétique est employé en balayage en fréquence pour suivre la variation de la direction de l'aimantation en fonction des déformations induites par l'application de tension électrique sur l'actionneur piézoélectrique. Un retournement de 90° de la direction de l'aimantation dans le film Co2FeAl sur substrat flexible de Kapton® est observé. / Thin films deposited on flexible substrates have been widely studied in the last decades due to the numerous applications in flexible electronics. Recently, flexible electronics have been extended to magnetic materials leading to the so-called emerging feld of flexible magnetoelectronics which is actually at the cutting-edge of spintronics research topics.This thesis is devoted to the study magnetomechanical properties of magnetic thin films (Ni, NiFe, Co2FeAl, CoFeB, FeCuNbSi) on flexible substrates. Structural analysis have 130 Abstracts hown that the Ni and CFA films are found to be polycrystalline with no strong preferred orientations ; the CFB film is amorphous. Consequently, the elastic and magnetoelastic properties are isotropic. For the study of the magnetomechanical properties, a set-up based on a jointly use of deformation test (bending or piezoactuation), ferromagnetic resonance (FMR) and digital image correlation (DIC) have been developped. Thanks to this method, it is possible to follow the evolution of the inescapable residual anisotropy encountered in magnetic thin films on flexible substrates under deformation and to determine the effective coefficient of magnetostriction of the films (sometimes unknown).This residual anisotropy is ascribed to contrasted mechanical strength when a sti thin film is deposited on a compliant substrate. The effect of the annealing temperature on the elastic and magnetoelastic have been studied carefully in CFB validating then theinterest on such alloys for spintronics applications. Finally, we have employed FMR inits sweep frequency mode to study the effective evolution of magnetization direction as function of the voltage-induced strains. A 90-degree magnetization rotation in Co2FeAl thin film on Kapton® polyimide substrate is observed.

Le diagnostic de l'occlusion dentaire reste actuellement un défi majeur pour les chirurgiens-dentistes. Des outils dédiés existent, comme le papier à articuler et le T-Scan®, mais sont limités pour diverses raisons. L'objectif de cette thèse est alors de développer un nouvel outil sous forme de matrice de capteurs de pression sur substrat flexible alliant les avantages des outils nommés précédemment, à savoir un produit électronique, informatisé et de faible épaisseur pour ne pas être intrusif. Nous avons choisi une technologie piézorésistive et l'utilisation de jauges de contrainte en silicium microcristallin. Ce matériau est déposé à basse température (< 200°C) directement sur substrat Kapton® par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) dans une perspective de faible coût. Ces jauges ont d'abord été caractérisées mécaniquement et électriquement lors de tests de courbure. Les facteurs de jauge longitudinaux et transversaux du silicium microcristallin ont été étudiés afin de maîtriser son comportement sous déformation. Les dispositifs restent fonctionnels jusqu'à des contraintes de 0,6 %, à partir de laquelle des dégradations apparaissent. Ces valeurs de contraintes permettent d'atteindre des rayons de courbure de l'ordre du millimètre pour des substrats de 25 µm d'épaisseur. Deux types de matrices ont ensuite été développées : une première de 800 jauges pour l'étude de la surface occlusale d'une dent puis une seconde de 6400 jauges pour l'étude d'une moitié de mâchoire. Dans les deux cas, des corrélations intéressantes entre le papier à articuler et nos réponses électriques ont été observées lors de caractérisations en conditions « semi-réelles » à l'aide d'un articulateur dentaire. Ces deux prototypes ont ainsi permis une preuve de concept fonctionnelle de l'objectif visé en utilisant des jauges en silicium microcristallin. / Dental occlusion diagnosis is still a major challenge for dentists. A couple of tools are dedicated to occlusal analysis, such as articulating papers and the T-Scan® system, but they are limited for various reasons. That's why, the goal of this thesis is to develop a novel system consisting in pressure sensor arrays on flexible substrates combining the positive aspects of both previously cited tools: an electronic and computerized system, on a very thin non-invasive flexible substrate. We chose a piezoresistive technology based on microcrystalline silicon strain gauges and 25-µm- or 50-µm-thick Kapton® substrates. Microcrystalline silicon is deposited directly on plastic at low temperature (< 200°C) using PECVD technique (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) in a cost-effective solution perspective. Strain gauges have firstly been characterized using bending tests. Longitudinal and transversal gauge factors have been studied in order to understand the behavior of our deposited materials under bending. Those gauges remained functional until strains up to 0.6 % and degradations appeared for higher values. These values correspond to bending radius on the order of 1 mm for 25-µm-thick substrates. Then, those gauges have been integrated in arrays with two different designs: one was an 800-element array to study the occlusal surface of one tooth, and the second was a 6400-element array to study the occlusal surface of a hemiarcade. Those prototypes have showed interesting correlations between articulating paper marks and our electrical responses during characterizations using a dental articulator to simulate a human jaw. Thus, we have developed in this work a proof-of-concept of a flexible strain sensor using microcrystalline silicon dedicated to dental occlusion diagnosis.

Le travail de cette thèse porte sur le développement de transistors en couche mince (Thin Film Transistors, TFTs) à base de silicium microcristallin fabriqués sur un substrat flexible à très basse température (T< 180 °C). La première partie de ce travail a consisté à étudier la stabilité électrique de ces TFTs. L'étude de la stabilité électrique des TFTs de type N fabriqués sur verre a montré que ces TFTs sont assez stables, la tension de seuil VTH ne se décale que de 1.2 V au bout de 4 heures de stress sous une tension de grille VGSstress= +50V et à une température T=50 °C. L'instabilité électrique de ces TFTs est principalement causée par le piégeage des porteurs dans l'isolant de grille. La deuxième étape de ce travail s'est concentrée sur l'étude du comportement de ces TFTs sous déformation mécanique. Ces TFTs sont soumis à un stress mécanique en tension et en compression. Le rayon de courbure minimum que les TFTs pouvaient supporter est r=1.5 mm en tension et en compression. La limitation de la déformation mécanique de ces TFTs est principalement due à la contrainte mécanique du nitrure de silicium utilisé comme isolant de grille des TFTs. Autrement dit, ces TFTs sont mécaniquement fiables et présentes une faible variation du courant ION, de l'ordre de 1%, même après 200 cycles de déformation mécanique. Ces résultats obtenus laissent entrevoir la possibilité de concevoir une électronique flexible pouvant être pliée en 2. Enfin, les TFTs sont fabriqués avec différents isolants de grille afin d'augmenter la mobilité d'effet de champ. Malheureusement, aucun isolant de grille utilisé dans ces études n'a permis d'augmenter la mobilité d'effet de champ sans dégrader la stabilité électrique des TFTs. Des études plus détaillées et des optimisations complémentaires sur ces isolants de grille sont nécessaires. / This work deals with the development of microcrystalline silicon thin film transistors (TFTs) fabricated on flexible substrate at low temperature (T=180 °C). The first step of this work consists in studying the electrical stability of TFTs. The N-type TFTs fabricated on glass substrate are electrically stable under gate bias stress VGStress= +50V at T=50 °C. The threshold voltage shift (ΔVTH) was only 1.2 V during 4 hours. This electrical instability of TFTs is mainly due to carrier trapping inside the silicon nitride gate insulator. The second step of this work lies in the study of the mechanical behavior of the TFTs. Both tensile and compressive strains were applied on TFTs. The minimum curvature radius is r=1.5 mm for both tension and compression. The main limitation of TFTs comes from the mechanical strain εlimit of silicon nitride used as gate insulator of TFTs. Also, these TFTs are mechanically reliable: the variation of ION current was only 1% after 200 cycles mechanical bending. These results obtained open the way to the development of flexible electronics that can be folded in half.Finally, TFTs have been fabricated using different gate insulators in order to improve the mobility. Unfortunately, all the gate insulators used couldn’t improve mobility without sacrificing electrical stability of TFT. More detailed studies and complementary optimization of these gate insulators are necessary.

Cette thèse est consacrée à l’évaluation du potentiel d'un semi-conducteur 2D, le disulfure de molybdène (MoS2) monocouche, en tant que matériau de canal de type N pour l’électronique flexible. Ce semi-conducteur d'épaisseur nanométrique est stable chimiquement, robuste mécaniquement et possède une bande interdite directe de 1,9 eV. Le travail réalisé couvre en premier lieu la synthèse de monocouches de MoS2 par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et leur caractérisation. Les monocouches synthétisées ont été intégrées avec succès en tant que matériau de canal dans des transistors de type N stables à l'air. L'étude a mis en évidence l'impact sur les performances de l'environnement et des résistances aux interfaces métal/MoS2. Des mobilités électroniques de 20 cm²/(V.s) associées à des rapports ION/IOFF > 106 ont été obtenus. Ces performances ont permis l’intégration du MoS2 monocouche dans des transistors flexibles. Ce travail a été combiné à d’importants efforts sur l’intégration de films minces organiques électrogreffés en tant que diélectrique de grille, y compris sur substrat flexible. Dans un domaine encore jeune mais en rapide évolution, ces travaux montrent la viabilité de l’option MoS2 monocouche pour l’électronique flexible, notamment en combinaison avec les diélectriques minces organiques. / This PhD thesis is dedicated to the assessment of the potential of monolayers of molybdenum disulfide (MoS2) as a N-type channel material for flexible electronics. This 2D semiconductor of atomic-scale thickness is chemically stable, mechanically robust and has a direct bandgap of 1.9 eV. This work includes the synthesis of MoS2 monolayers by Chemical Vapor Deposition (CVD) and the characterization of this material. The MoS2 monolayers were integrated in air-stable N-type transistors. The study highlighted the impact on the device performances of both the environment and the resistances at the MoS2/metal interfaces. Electronic mobilities of 20 cm²/(V.s) in combination with ION/IOFF ratios > 106 were achieved. These performances allowed integrating MoS2 monolayers in flexible transistors. This work was combined with the study of electrografted organic ultrathin films used as gate dielectrics and their integration in MoS2 transistors. This thesis shows that MoS2 monolayers are a viable option for flexible electronics operating at low bias, in particular when they are associated with ultrathin organic dielectrics.

Ce travail de thèse affronte l'étude de divers problèmes surgissant de la mécanique du milieu continu. La première partie du manuscrit est dédiée à l'étude mathématique de certains modèles à interfaces diffuses qui décrivent la séparation de phase de mixtures binaires (par exemple, le grossissement de la taille des grains dans un alliage ou bien l'écoulement des fluides polymériques bistables). La seconde partie examine le fonctionnement de certains dispositifs électroniques, comme les jonctions p-n, sous l'effet de déformations mécaniques. La troisième partie présente un model pour la prédiction de la durée de vie pour des métaux polycristallins en régime de chargement cyclique. Un modèle typique de séparation de phase est le modèle H, qui est constitué d'une équation de Cahn-Hilliard convective couplée avec le système de Navier-Stokes par la force dite de Korteweg. On considère des variations de ce modèle qui tiennent compte, par exemple, d'une viscosité du fluide dépendante du cisaillement ou de constituants réagissant chimiquement entre eux. Tout d'abord, on étudie des questions de base comme l'existence, l'unicité et la régularité des solutions. Par la suite, on analyse le comportement asymptotique des systèmes dynamiques infini-dimensionnels générés par les systèmes étudiés. Plus précisément, on démontre l'existence d'attracteurs globaux, d'attracteurs exponentiels, d'attracteurs pullback et d'attracteurs de trajectoires pour les systèmes dynamique correspondants. On discute aussi la robustesse de ces ensembles invariants par rapport à des perturbations de certains paramètres du modèle. Nos résultats constituent une extension naturelle des propriétés connues pour le cas de l'écoulement d'un fluide simple qui représentent le cas de référence pour toute nouvelle technique proposée en littérature. Enfin, comme description plus précise des phénomènes de séparation de phase, on considère une équation de Cahn-Hilliard modélisant des interactions non-locales à travers un noyau singulier. En ce cas, des résultats d'existence et de régularité sont donnés. La seconde partie de cette thèse est dédiée à l'étude des effets de couplage entre les propriétés mécaniques et électroniques des semi-conducteurs. La modélisation des dispositifs électroniques choisie se base sur le modèle de diffusion et transport pour les électrons et les trous. Le dispositif est décrit comme un continu macroscopique standard avec, pour objectif, la compréhension des effets des déformations sur les propriétés électroniques du semi-conducteur et, en particulier, sur la caractéristique d'une jonction p-n. Ceci permet de proposer une formulation variationelle du système classique de diffusion et transport et de dériver un modèle thermodynamiquement consistent pour les effets électromécaniques couplés. Les déformations ont des effets en particulier sur les coefficients de mobilité et sur le terme de génération et recombinaison des porteurs. Deux solutions approximées sont étudiées : une développé à partir d'hypothèses physiques et l'autre qui comporte une expansion asymptotique. Ces résultats constituent une étape préalable pour la compréhension des dispositifs électroniques flexibles. La dernière partie de la thèse présente une application de la théorie des systèmes dynamiques à la prédiction de la durée de vie des métaux polycristallins sous chargement périodique pour grand nombre de cycle de chargement. Un nouveaux model est proposé et ses prévisions comparées avec les résultats connus dans la littérature.