Cette thèse s’intéresse à la croissance épitaxiale à basse température (~200°C) des couches minces de silicium par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), pour des applications aux cellules solaires. L’objectif de départ était de mieux comprendre cette croissance épitaxiale, en utilisant la microscopie électronique en transmission (MET) comme principal outil expérimental. D’abord, nous avons étudié les premiers stades de cette croissance épitaxiale en chimie SiF4/H2/Ar, en menant une série de dépôts courts – quelques dizaines jusqu’à quelques centaines de secondes – sur différents types de substrats. Nous avons établi une corrélation entre les images MET de coupes et de vues planes et les mesures d’ellipsométrie in-situ. Nous avons discuté les mécanismes de croissance en nous basant sur l’hypothèse de la croissance traditionnelle à base d’atomes, radicaux et ions et l’hypothèse (relativement nouvelle) reposant sur la fonte des nanoparticules générées par le plasma au moment de l’impact avec le substrat. De plus, pour comprendre comment l’épitaxie par PECVD à basse température se maintient, nous avons étudié comment elle se brise ou se perd. Pour cela, des expériences de perte d’épitaxie ont été visées en augmentant soit la puissance de la source RF, soit le flux d’hydrogène, toujours pour une chimie SiF4/H2/Ar. Dans les deux cas, le mécanisme de brisure d’épitaxie fait intervenir des macles et des fautes d’empilement qui interrompent la configuration épitaxiale ; ceci est accompagné par une rugosification de surface. Grâce à cette nouvelle compréhension de la brisure d’épitaxie, nous proposons quelques moyens pour maintenir l’épitaxie pour de plus grandes épaisseurs. En outre, nous avons observé une fascinante quasi-symétrie cinq dans les diagrammes de diffraction pour ces couches et aussi pour d’autres élaborées par un plasma de chimie SiH4/H2/HMDSO/B2H6/Ar. Nous avons attribué une telle symétrie à une brisure d’épitaxie par l’intermédiaire d’un maclage multiple. Nous avons développé une méthode d’analyse quantitative qui permet de discriminer les positions de maclage de celles du microcristal aléatoire dans les diagrammes de diffraction et d’estimer le nombre des opérations de maclage. Nous avons aussi discuté quelques raisons probables pour l’incidence du maclage et du maclage multiple sous forme de symétrie cinq. Finalement, une importante réalisation pour le monde de la MET, durant ce travail doctoral, a été l’optimisation de la préparation traditionnelle d’échantillon (polissage par tripode). Nous l’avons transformée d’une méthode longue et ennuyeuse en une méthode rapide qui devient compétitive par rapport à la technique du FIB relativement chère. / This thesis focuses on low temperature (LT, ~200°C) epitaxial growth of silicon thin films by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) for solar cell applications. Our starting goal was to acquire a better understanding of epitaxial growth, by using transmission electron microscopy (TEM) as the main experimental tool. First, we investigated the initial stages of epitaxial growth using SiF4/H2/Ar chemistry by performing a series of short depositions – from few tens to few hundred of seconds – on different types of substrates. We made a correlation between cross-sectional and plan-view TEM images and in-situ ellipsometry measurements. We discussed the growth mechanisms under the hypotheses of the traditional growth mediated by atoms, radicals and ions and the relatively new approach based on the melting of plasma generated nanoparticles upon impact with the substrate. Additionally, in order to understand how epitaxy by LT-PECVD is sustained, we studied how it is lost or how it breaks down. For that, experiments of intentional breakdown of epitaxy were performed by either increasing the RF power or the hydrogen flow rate using the same SiF4/H2/Ar chemistry. In both cases, the breakdown mechanism was based on the development of twins and stacking faults thus disrupting epitaxial configuration; this was accommodated with surface roughening. Thanks to this new understanding of epitaxy breakdown, we can propose some ways to sustain epitaxy for higher thicknesses. Moreover, we fascinatingly observed a quasi-fivefold symmetry in the diffraction patterns for these layers and for layers deposited using SiH4/H2/HMDSO/B2H6/Ar plasma chemistry as well. We attributed such symmetry to the breakdown of epitaxy through multiple twinning. We developed a quantitative analysis method to discriminate twin positions from random microcrystalline ones in the diffraction patterns and to estimate the number of twin operations. We also discussed some probable reasons for the occurrence of twinning and multiple twinning in a fivefold symmetry fashion. Finally, one important achievement to the TEM world is the optimization, during this doctoral work, of the traditional TEM sample preparation (tripod polishing), transforming it from a long and boring method to a fast method that is competitive with the relatively expensive focus ion beam (FIB) technique.

Cette thèse évalue le potentiel des alliages AlGaNAs en tant que couche active pour la quatrième jonction à ~1 eV de cellules photovoltaïques multi-jonctions III-V. L’introduction d’une faible quantité d’aluminium (Al, <15%) augmente de façon significative l’efficacité d’incorporation de l’azote (N), tout en distribuant de façon plus homogène les atomes de N dans la couche, réduisant aussi la densité d’agrégats. Une optimisation de la température de croissance démontre que la région optimale se situe entre 400°C et 440°C. Dans cette gamme, la concentration de N est maximisée tandis que la qualité cristalline de la couche épitaxiée est optimisée tout en préservant un mode de croissance 2D et une faible rugosité de ~1 nm. La bande interdite des alliages d’AlGaNAs est mesurée par transmission optique. Ces mesures révèlent que l’AlGaNAs suit le modèle théorique du modèle de croisement de bandes, ou band anticrossing et que son bandgap diminue quand la concentration de N augmente. La bande interdite est réduite jusqu’à ~1.22 eV pour des concentrations respectives d’Al et de N de ~15% et ~3.4%. Les défauts présents dans le GaNAs avec ~0.4% de N sont étudiés, révélant trois défauts peu profonds à 116, 18 et 16 meV, attribués à des contaminations en H et en C, et deux pièges profonds à 0.21 eV et 0.35 eV, attribués à des complexes N-H et à des antisites AsGa respectivement. Les mesures électriques de l’AlGaNAs démontrent que le recuit améliore la mobilité des trous et des valeurs de ~60 cm2/Vs avec ~5% d’Al et ~0.5% de N et ~6 cm2/Vs avec ~10% d’Al et ~2% de N sont obtenues. Les mesures optiques de photoluminescence obtenues sur des couches d’AlGaNAs crues sur un substrat de GaAs semi-isolent de 65 µm d’épaisseur révèlent un pic à ~920 nm attribué a un défaut radiatif qui ne semble pas être affecté par un changement dans la concentration d’Al ou de N, ni même par un recuit. Des mesures SIMS révèlent la présence de contaminants C, H et O dans les couches, qui dégradent les performances optoélectroniques des alliages AlGaNAs. Cette thèse démontre le bon potentiel de l’AlGaNAs pour les cellules photovoltaïques. Il est toutefois important de réduire la concentration de contaminants dans la couche pour obtenir un matériau adéquat.

Les approches macroscopiques (cinétique chimique) et microscopiques (spectroscopie EXAFS polarisée) ont été couplées dans le but de caractériser les mécanismes moléculaires de fixation de cations divalents (Co, Zn) sur l' hectorite, une smectite magnésienne, et sur le quartz. À pH = 6,5, haute force ionique, et pour un rapport Zn/hectoritc de - 50 umol/g, une adsorption spécifique de Co et Zn a lieu. Cette adsorption n' atteint pas l'équilibre avant plusieurs heures, et coïncide avec une libération initiale accrue de protons et de Mg en solution, puis une inhibition à long terme (t >= 48 h) de la cinétique de dissolution de l' hectorite. Co et Zn adsorbés forment des complexes de surface mononucléaires en continuité structurale de la couche octaédrique des feuillets d' hectorite. À basse force ionique, Co et Zn sont initialement adsorbés par échange cationique. Cette réaction atteint l'équilibre en moins de 5 min. Ces cations forment initialement des complexes de sphère externe sur les sites d'échange, puis ils migrent progressivement vers les sites de bordure des feuillets, où ils forment des complexes de surface similaires à ceux formés à haute force ionique. Le mécanisme et l'amplitude de l'adsorption de Zn sur l'hectorite à pH 7,3, à haute force ionique et pour un rapport Zn/hectorite de 1480 umol/g, dépend de la concentration en silice dissoute [Si) . La quantité de Zn adsorbé est limitée pour [Si) ~ 30-60 umoI/L, et Zn forme des polymères de petite taille (2-3 octaèdres) en continuité structurale de la couche octaédrique de l'hectorite. La quantité de Zn adsorbé est beaucoup plus importante pour [Si) ~ 540 umoI/L; cette adsorption est corrélée à une adsorption de Si, et correspond à la nucléation de phyllosilicates TOT zincifères en épitaxie dans le plan ab des feuillets. Une analyse approfondie de spectres EXAFS de Co adsorbé sur le quartz révèle que cet élément polymérise sous forme de couches d'octaèdres liées à des couches de tétraèdres de Si, pour former des phyllosilicates cobaltifères. Le mécanisme de cette néoformation est discuté.

L’intégration de matériaux ferromagnétiques dans des hétérostructures semi-conductrices offre aujourd'hui de nouvelles perspectives dans le domaine de l’électronique de spin. Dans ce manuscrit sont présentés les résultats de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d’hétérostructures de Mn5Ge3 sur Ge(111). Le Mn5Ge3 est un composé ferromagnétique jusqu'à température ambiante qui a l’avantage de pouvoir s’intégrer directement au Ge, semiconducteur du groupe IV. S'agissant d'un matériau relativement nouveau, un des efforts majeurs a porté sur la maîtrise de la croissance des couches minces de Mn5Ge3 par la technique d'épitaxie en phase solide (SPE). Un fort accent a été mis sur les caractérisations structurales, la détermination des relations d'épitaxie avec le Ge(111), afin de les relier aux propriétés magnétiques des films. La seconde partie de ce travail a été consacrée à l'étude des processus cinétiques d'incorporation de carbone dans les couches minces de Mn5Ge3. La combinaison des différents moyens de caractérisations structurales et magnétiques a permis d'aboutir à une augmentation notable de la température de Curie tout en conservant une excellente qualité structurale de la couche et de l'interface avec le Ge et une stabilité thermique jusqu’à 850°C. Tous ces résultats indiquent que les couches minces de Mn5Ge3épitaxiées sur Ge(111) apparaissent comme des candidats à fort potentiel pour l'injection de spin dans les semi-conducteurs du groupe IV / Spin-electronics based on ferromagnetic metal/semiconductor systems offer a pathway toward integration of information storage and processing in a single material. This emerging fieldaims to create a new generation of electronic devices where two degrees of freedom will be associated: spin and charge of carriers. In this context, the outcome of this thesis is toelaborate a novel ferromagnetic compound, namely Mn5Ge3, on Ge using molecular beamepitaxy method. The interests in this compound are manyfold: it can be stabilized as a uniquephase on Ge(111) in the form of epitaxial thin films, it is ferromagnetic until room temperature and it is compatible with Si-based conventional microelectronics. In this work,one major effort was devoted to the epitaxial growth of Mn5Ge3 on Ge using Solid PhaseEpitaxy method. By combining structural and magnetic characterizations, we demonstrated high quality epitaxial thin Mn5Ge3 films with good magnetic properties. We also studied theeffect carbon incorporation on the structural and magnetic properties of epitaxial Mn5Ge3films. The carbon-doped films exhibit a high Curie temperature with an atomically smoothinterface and a high thermal stability. All these results show that Mn5Ge3 is a promisingcandidate opening up the ways for spin injection via tunnel effect through the Schottky barrierinto Ge

Les nanofils (NFs), de par leur propriétés opto et nanoélectroniques sont devenus des éléments indispensable à la fabrication des dispositifs de la nanoélectronique. Le problème principal reste la reproductibilité en terme de densité de NFs, de diamètre... Cette thèse a pour but de développer grâce à la technologie FIB, un procédé permettant l'élaboration de NFs organisés et homogène en taille. / Due to their ease of fabrication and unique physical properties, semiconductor nanowires (NWs) have been proposed as building blocks for new nanoelectronic and photonic devices. Various processes have been developed to obtain large density of ultra-small NWs but naturally forms nanowires often lack reproducibility. We propose to develop a bottom-up (B-U)processes which is based on naturally formed NWs grown on a patterned substrate resulting from self-assembly of metallic clusters or exposition to a focused ion beam (FIB). The major goal consist to obtain organized and homogeneous NWs.

L’objectif de cette thèse était de synthétiser des multicouches à base de couches ferromagnétiques GeMn qui sont empilées et séparées par des couches de Ge en utilisant la technique d'épitaxie par jets moléculaires.Outre de nombreuses applications en spintronique issues de cette structure de matériaux, la réalisation de capteurs biochimiques dédiés à la détection moléculaire est l’idée directrice de ce travail. Un tel dispositif présenterait les atouts que ses matériaux constituants apportent : haute sensibilité, sélectivité et compatibilité parfaite avec la technologie de Si-Ge. Dans la première partie de ce manuscrit sont présentés les résultats obtenus de la croissance d’hétérostructures Mn5Ge3, Mn5Ge3Cx sur Ge(111) puis la reprise d’épitaxie de la barrière de Ge sur Mn5Ge3, la première étape avant la croissance de la deuxième couche ferromagnétique. Nous avons également analysé les propriétés structurales et magnétiques de ces couches minces ainsi que les dificultés dues à la croissance de la couche de Ge, notamment la diffusion et la ségrégation. Deux approches utilisant le carbone ont été proposées pour réduire la ségrégation : barrière de diffusion en carbone et remplissage des sites interstitiels du réseau Mn5Ge3 par du carbone. Le second axe alternatif pour la synthèse est consacré à la croissance de la structure colonnaire empilée Ge1-xMnx. Les conditions pour obtenir la structure colonnaire ont été déterminées. Les propriétés structurales et mesures magnétiques ont montré que cette phase était particulièrement intéressant dans la famille des semiconducteurs ferromagnétiques dilués à base de Ge-Mn pour les applications en spintronique et croissance de multicouches. La reprise d’épitaxie de plusieurs couches ferromagnétiques séparées par Ge a été effectuée et l’étude du couplage magnétique a été également menée. Enfin, nous présentons les premiers résultats sur le greffage de porphyrines et de protéines sur diverses surfaces hydrophiles et hydrophobes (Si, Ge), permettant d’accéder aux études de la faisabilité des capteurs Ge/GeMn. L’ensemble de ce travail indique que les multicouches de Ge/GeMn apparaissent comme des candidats à fort potentiel pour la spintronique, notamment pour capteurs bio-chimiques dans les semi-conducteurs du groupe IV. / The objective of this thesis is to synthetize the multilayers based on the sandwiched structure of GeMn ferromagnetic layers by mean of Molecular Beam Epitaxy on Ge substrate. Applications in spintronic field from this study are potential such as structures of spin valves, nanoscale sensors devoted to the detection of biochemical molecules. We actually focus on the biochemical sensors based on GMR (or TMR) phenomenon in stacking layered structure. These devices offer many advantages that the constituent materials may provide : high sensibility, selectivity, and especially, compatibility with Si-Ge technology. The first part of this manuscript presents the results obtained of heterostructure growth of Mn5Ge3, Mn5Ge3Cx on Ge(111), then Ge overgrowth on Mn5Ge3, the first step to study multilayers growth. Also, we have discussed about the structural and magnetic properties of these thin films as well as the problems due to the growth of multilayers, especially the diffusion and segregation. The approaches to reduce the diffusion were proposed by introducing carbon atoms as diffusion barrier or by fulfilling insterstial sites of Mn5Ge3 lattice by carbon atoms. The second axis of materials synthesis is devoted to the growth of multilayers Ge1-xMnx nanocolumn structure. The growth condition of Ge1-xMnx nanocolumns has been determined. We have studied structural and magnetic properties of this phase which are of particular interest to spintronic applications and multilayers growth. The Ge/Ge1-xMnx nanocolumns multilayers have been done and the interlayer exchange coupling between ferromagnetic layers has been studied. Finally, we have presented the preliminary results of porphyrin molecules and protein grafting on hydrophilic and hydrophobic surfaces (Si and Ge). This allows accessing to study the feasibility of Ge/GeMn-based sensors. This work indicates that the Ge/GeMn mutilayers appear to be a potential candidate for spintronics and biochemical sensors in the group IV semi-conductors.

Les oxydes de métaux de transition sont d'un grand intérêt en raison du large éventail de propriétés qu'ils présentent. Ils ont potentiellement de nombreuses applications technologiques dans le domaine de l'électronique, reposant en partie sur le développement de dispositifs pour la technologie de l'information nécessitant de les contacter avec des métaux. Ce travail de thèse, basé principalement sur l'utilisation de la spectroscopie de photoémission, porte sur une étude détaillée de l'interface Fe/SrTiO₃ réalisée à température ambiante, dans laquelle nous nous sommes intéressés en particulier aux propriétés structurales et électroniques. Nous montrons que le fer est épitaxié, que sa croissance est en îlots et que les films couvrent entièrement le substrat pour le dépôt de quelques monocouches atomiques. Nous mettons en évidence une réaction du métal avec le substrat lors de la formation de l'interface qui se manifeste par la présence de titane réduit à l'interface. Nous associons cette réduction du titane à la présence de lacunes d'oxygène à l'interface Fe/SrTiO₃. Alors que la hauteur de barrière Schottky attendue pour une jonction abrupte Fe/SrTiO₃(001) est d'environ 1 eV pour les électrons, nous montrons que la présence des lacunes d'oxygène à l'interface abaisse la hauteur de barrière Schottky à environ 0,05 eV. La création de lacunes d'oxygène lors du dépôt de fractions de monocouche de fer sur le SrTiO₃ conduit aussi à une métallisation de la surface du semi-conducteur. Ce mécanisme est relié à la création d'états donneurs chargés positivement associés aux lacunes d'oxygène pendant le dépôt. Pour déterminer le profil de bande dans le substrat nous avons résolu l'équation de Poisson à une dimension dans une approche de la théorie de la fonctionnelle de la densité modifiée, en tenant compte de la couche d'accumulation d'électrons. Confrontant ces calculs avec nos résultats de photoémission nous trouvons que le potentiel de surface présente des inhomogénéités spatiales parallèlement à la surface. / Transition metal oxides are of great interest because of the wide range of properties they exhibit. They have potentially many technological applications in the field of electronics, especially based on the development of devices for information technology requiring contacting these oxides with metals. This thesis work, mainly based on photoemission spectroscopy, is a detailed study of the Fe/SrTiO₃ interface grown at room temperature in which we focus in particular on structural and electronic properties. We show that iron has an epitaxial growth with an island morphology and that films completely cover the substrate for the deposition of few atomic monolayers. We demonstrate that the metal reacts with the substrate during the formation of the interface which results in the presence of reduced titanium at the interface. We associate this reduction of titanium with the presence of oxygen vacancies at the Fe/SrTiO₃ interface. While the expected Schottky barrier height for a Fe/SrTiO₃(001) abrupt junction is about 1 eV for electrons, we show that the presence of oxygen vacancies at the interface lowers this Schottky barrier height to about 0.05 eV. The creation of oxygen vacancies during the deposition of fractions of iron monolayer on SrTiO₃ also leads to the metallization of the semiconductor surface. This mechanism is related to the creation of positively charged donor states associated with oxygen vacancies during deposition. To determine the band profile in the substrate, we solved the one-dimensional Poisson equation in a modified approach of the density functional theory taking into account the electron accumulation layer. By comparing these calculations with our photoemission results, we find that the surface potential has spatial inhomogeneities parallel to the surface.

Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées sont des systèmes modèles permettant de confronter l'expérience à la théorie de l'effet tunnel polarisé en spin. Celles à barrière de MgO(001) font à ce titre l'objet de nombreuses études, dont certaines ont permis d'établir expérimentalement l'existence de phénomènes tunnel cohérents dépendant de la symétrie des états de Bloch. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à identifier et contrôler plusieurs propriétés des interfaces, de la barrière et des électrodes qui s'expriment dans le transport tunnel. Nous étudions les conséquences d'un excès d'oxygène à l'interface Fe/MgO dans les jonctions Fe/MgO/Fe(001). La réalisation d'un empilement modèle Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) nous permet de confirmer certains effets attendus, notamment la formation d'une barrière additionnelle à l'interface pour les états de symétrie Δ1. Cependant, et contre toute attente, la magnétorésistance dépend peu de la présence d'oxygène. Elle est en revanche très sensible à la qualité cristallographique des interfaces. Nous démontrons ainsi les influences néfastes du désordre et du désaccord paramétrique entre la barrière de MgO et l'électrode sous-jacente. L'emploi d'alliages Fe V de composition variable permet de réduire le désaccord paramétrique et de diminuer la densité de dislocations, ce qui conduit à une forte augmentation de la magnétorésistance. Nous étudions enfin comment les structures électroniques des alliages Fe Co et Fe V se manifestent dans le transport tunnel. Des mesures de photoémission résolue en spin nous permettent de sonder directement les bandes Δ et les états de résonnance interfaciale des surfaces (001) libres ou recouvertes de MgO.

Ce travail repose sur le développement de la croissance, par épitaxie par jets moléculaires, d'hétérostructures présentant une alliance de deux familles de matériaux semi-conducteurs: les tellurures et les séléniures. Il tend à montrer l'originalité des propriétés physique spécifiques de cette association en développant deux cas: les puits et les boîtes quantiques de type-II ZnTe/ZnSe et les centres isoélectroniques CdTe:Se.<br /> Pour ZnTe fortement contraint sur ZnSe, une transition morphologique de type Stranski-Krastanow non-standard a été observée. La formation d'îlots nanométriques a pu être obtenue grâce à un traitement de surface à base de Te amorphe. Lors de leur encapsulation, nous avons été confrontés à une disparition totale de ces îlots. Nous proposons de nouvelles conditions de croissance qui limitent les phénomènes de ségrégation, ou d'échange Se/Te, et préservent en partie les îlots. Cependant les nanostructures obtenues ne contiennent pas ZnTe sous forme binaire pure mais sous forme d'alliage ordonné ZnSeTe.<br /> Les propriétés de photoluminescence d'un plan de boîtes quantiques et celles d'un puits quantique ZnTe/ZnSe sont analysées et comparées. Nous proposons un modèle capable de décrire parfaitement les différents résultats optiques spécifiques d'un système où l'alignement de bande est de type-II. Ce modèle est basé sur des arguments statistiques et électrostatiques.<br />La dernière partie traite de l'insertion d'atomes de sélénium dans CdTe sous forme d'un dopage planaire. Des centres isoélectroniques sélénium ont pu être isolés. Une mesure du dégroupement des photons émis montre que ces objets individuels se comportent comme des émetteurs de photons uniques.

Ce travail porte sur la fabrication et la mesure de détecteurs quantiques supraconducteurs. Pour nano-structurer ces dispositifs, nous utilisons une technique de lithographie en champ proche : l'anodisation locale sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM). Nous appliquons cette technique à des films ultra-minces (2-10 nm) à base de niobium (Nb, NbN) épitaxiés sur des substrats de saphir. La résolution ultime que nous obtenons est de 10nm. Elle nous permet de réaliser des nanofils cristallins dont la section est nanométrique (100nm2) et homogène sur de grandes distances ( 40µm). Nous caractérisons en amont la qualité cristalline des films et mesurons leurs propriétés électriques jusqu'aux plus basses températures. Ces expertises sont menées en parallèle, sur des films d'épaisseur variable et nous permettent l'analyse de la transition supraconducteur-isolant dans les films ultra-minces en fonction du désordre mesuré dans les couches. Nous déterminons les régimes dissipatifs des nanofils supraconducteurs à très basses températures. Dans le régime de point chaud, nous montrons que les nanofils permettent la détection rapide d'un photon unique. Les détecteurs sont sensibles au photon unique dans le visible et à deux photons dans l'infrarouge. Ces détecteurs supraconducteurs ont une résolution temporelle inégalée par les détecteurs semiconducteurs. Ils peuvent être utilisés comme des compteurs de photons et être utiles à l'implémentation d'une cryptographie classique et quantique pour la transmission d'information sécurisée.