Les chiffres des statistiques du cancer colorectal en France et dans le mondemontrent la nécessité de développement de plateformes technologiques plus rapides,sensibles et spécifiques pour assurer le diagnostic du cancer. Un diagnostic rapide va ainsiaider à améliorer l’état de santé et réduire le temps d’attente des résultats qui peut être ungrand facteur de stress pour les patients. L’analyse des biomarqueurs dans le sang, lesurines et autres fluides corporels est l’une des méthodes appliquées pour la détectionprécoce de la maladie. Dans le cadre de ce projet des nucléosides urinaires ont été identifiéscomme biomarqueurs pour le cancer colorectal. Financée par l’Agence Nationale de laRecherche (ANR), à travers le projet CancerSensor (programme TECSAN), cette thèse s’estdéroulée au sein de l’équipe MDA (Microsystèmes de Détection Acoustique) du laboratoireIMS. Dans le cadre de ce projet, nous avons proposé une solution technologique dedétection et de suivi de biomarqueurs du cancer colorectal. Notre choix de la stratégie dedétection s’est porté sur les polymères à empreintes moléculaires comme élément dereconnaissance des biomarqueurs. Celui-ci sera associé à un transducteur acoustique àondes de Love mis au point lors de travaux précédents au sein de l’équipe MDA. Lebiocapteur ainsi développé va cibler les nucléosides mis en évidence pour le cancercolorectal. / Colorectal cancer statistics in France and all over the world demonstrate theneed for fast, sensitive and specific technological platforms development for cancerdiagnosis. A rapid diagnosis will improve the patients’ health status and reduce the resultswaiting time which could be a great stress factor. Biomarkers analysis in blood, urine andother body fluids is recognized as one of the applied methods for early cancer detection. Inframe of this project, urinary nucleosides have been identified as colorectal cancerbiomarkers. Funded by the National Research Agency (ANR), through the cancer sensorproject (TECSAN program), this thesis was carried out in IMS laboratory. Hence, a colorectalcancer biomarkers detection and monitoring technological solution has been proposed. Inour detection strategy, Molecularly Imprinted Polymers (MIP) has been identified asbiomarker recognition element. The MIP layer has been associated to Love Wave acoustictransducer. This biosensor will sense the identified colorectal cancer nucleosides.

Avec la miniaturisation croissante des systèmes micro et nanoélectroniques, les problématiques thermiques revêtent un enjeu croissant. En effet, la faible taille des composants rend problématique l'évacuation de chaleur. Selon la NASA, 90% des défaillances sont imputables à des défauts d'interconnections thermiques et d'après l'US Air Force, 55% des défaillances électroniques sont attribuables à des effets thermiques. Devenues très courantes dans les domaines des nanotechnologies et des énergies renouvelables, les couches minces présentent des caractéristiques thermiques propres (confinement) et des défis métrologiques particuliers (taille des échantillons, influence du substrat sur la mesure). Le transfert de chaleur à l'échelle submicrométrique diffère du transfert de chaleur dans les matériaux massifs à cause de l'effet de confinement spatial propre aux nanostructures. Ainsi, la diffusivité thermique α et la conductivité thermique κ de ces couches minces sont des paramètres qui affectent la performance et la durée de vie de ces couches dans une application donnée. Ce mémoire de thèse porte sur le développement d'un banc de mesure, basé sur les variations de réflectivité d'un matériau en fonction de la température ou thermoréflectance, pour la caractérisation thermique à l'échelle submicrométrique. Dans ce travail, nous avons développé des modèles thermiques tridimensionnels dans des systèmes à deux et trois couches ainsi que les expressions théoriques du signal de thermoréflectance mesuré suite à une excitation thermique de la surface de l'échantillon. Ces expressions ont été développées en tenant compte de l'effet des résistances thermiques aux interfaces. Les modèles ont été validés expérimentalement par des mesures sur des couches minces d'or déposées sur un substrat de silice. Les mesures de thermoréflectance ont été ensuite appliquées à des couches minces d'acide polylactique. Finalement, des couches minces d'oxyde de zinc dopées par différentes concentrations d'aluminium ont été élaborées par voie électrochimique et leurs propriétés thermiques étudiées à l'aide du banc de mesure de thermoréflectance. / With the increasing miniaturization of micro and nanoelectronic systems, the thermal behavior of these systems has become more and more important. The small size of the components makes the heat emitted more troublesome. According to NASA, 90% of failures are due to thermal interconnection faults and according to the US Air Force, 55% of electronic failures are attribuable to thermal effects. Most electronic chips are manufactured using thin films technologies ; therefore, the characteristics of thin metal films have been the bottom line in the ongoing research in nanotechnology and renewable energy domain. Nanoscale heat transfer is different from the heat transfer in bulk materials due to the spatial confinement effect specific to nanostructures. Furthermore, the thermal diffusivity α and thermal conductivity κ of these films are critical parameters affecting their performance and lifetime in a given application. This thesis is devoted to setting up a measurement bench, based on the reflectivity variations of a material as a function of temperature (thermoreflectance), in order to thermally characterize thin films. In this work, a three-dimensional theoretical model is developed in order to describe the temperature distribution in two and three layers systems and obtain the expression of the measured thermoreflectance signal when the surface of the sample is heated by an intensity-modulated Gaussian laser beam. These expressions are obtained by taking into consideration the effect of thermal boundary resistances. These models have been validated experimentally on thin films of gold deposited on fused silica substrate. The thermoreflectance measurements have been then performed on thin films of polylactic acid. Finally, thin films of zinc oxide doped with different concentrations of aluminum have been elaborated during this thesis. The thermal characterization of these films is carried out with the thermoreflectance bench.

L'endommagement laser est le résultat d'une interaction laser-matière qui se traduit par une dégradation physique des optiques, entraînant une détérioration de leur(s) fonction(s) optique(s). Dans les matériaux diélectriques et en régime nanoseconde, ce phénomène est en grande partie dû à la présence de centres précurseurs de taille nanométrique sur lesquels s'initie l'endommagement. L'objectif des travaux présentés dans ce manuscrit est d'étudier les caractéristiques de ces centres initiateurs. Nous montrons en particulier qu'une étude multi-échelle spatiale de l'endommagement laser réalisée à plusieurs longueurs d'onde permet de discriminer différentes populations de défauts, et d'observer séparément leur évolution sous flux laser. Cette étude a été appliquée au cas de l'endommagement initié en volume de matériaux optiques à travers l'exemple du cristal de KH2PO4 (KDP), puis en surface sur des mono-couches minces de HfO2. Le développement d'un nouveau modèle statistique couplé à un modèle électromagnétique et thermique nous a permis d'aboutir à des estimations sur la nature et la taille des centres initiateurs présents dans les matériaux étudiés. D'un point de vue métrologie, nous montrons que la discrimination de ces populations influe sur la mesure des seuils d'endommagement laser. Enfin, le cas d'une initiation par des contaminants de surface a été étudiée grâce au dispositif de microscopie photothermique. Dans ce cas, un protocole de conditionnement a pu être établi.

Avec l'augmentation accrue du nombre de fonctions embarquées directement au dessus du circuit intégrés, les capacités Métal Isolant Métal (MIM) sont devenues des composants essentiels en microélectronique. Pour permettre une augmentation de la densité d'intégration des composants, des matériaux à forte permittivité ou high κ sont utilisés comme diélectriques. Cet isolant doit satisfaire plusieurs critères: une forte valeur de capacité surfacique, de faibles courants de fuite ainsi qu'une très bonne stabilité de la capacité surfacique avec la tension appliquée (linéarité en tension). Cependant, aucun n'est parvenu à satisfaire tous les critères, ce qui nécessite d'autres approches comme l'utilisation d'oxyde en structures multicouches ou alliées. De plus, la linéarité en tension des capacités est mal maîtrisée et son origine mal comprise. Ainsi, nous avons tout d'abord étudié le rôle du matériau d'électrode (TiN, Pt, WSi2,3 et WSi2,7) et de son interface avec l'oxyde d'yttrium déposé par MOCVD avec ou sans assistance plasma sur les performances électriques. On observe une dépendance de la linéarité en tension selon le matériau d'électrode utilisée. Un modèle double couche a été proposé pour décrire la non linéarité des capacités MIM en tension. Puis, différentes structures bicouches, multicouches ou alliées ont été étudiées (LaAlO3/Y2O3, structures à base de HfO2 et Al2O3, SrTiO3/Y2O3). Les bicouches SrTiO3/Y2O3 ont permis l'obtention d'une valeur de capacité surfacique de 10 fF/µm² et de minimiser la non-linéarité (paramètre α de -750 ppm/V²).

Le captage et stockage du CO2 est une solution prometteuse dans la lutte contre le réchauffement climatique mais cette technique, pour être fiable, nécessite la mise au point de méthodes de détection et d'analyse des puits. Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit, concernent le développement de fibres optiques et de guides d'ondes infrarouges dédiés à la surveillance des puits de stockage du CO2. Des films minces, issus des systèmes Ge-Sb-S et Ge-Sb-Se, ont été préparés par pulvérisation cathodique et ablation laser. Leurs propriétés ont été comparées pour trouver la composition la plus adaptée à un micro-capteur. Les couches sulfures déposées par pulvérisation cathodique ont été choisies pour graver des guides canalisés de type ruban et à jonction Y. Différents profils de fibres optiques tels que des fibres monoindices, effilées ou encore microstructurées, ont été réalisées en verres séléniures. Un important travail de purification a permis d'atteindre une atténuation de 0,2dB/m à 4,2µm. Un seuil de détection d'environ 0,5% vol. a alors été obtenu par absorption du signal infrarouge entre deux fibres monoindices. Cette technique a alors été adaptée pour une campagne de mesures sur un site présentant des sources naturelles en CO2.

L'émergence de lasers de plus en plus puissants et compacts et le développement de leurs applications engendrent des problèmes de tenue au flux des composants optiques et tout particulièrement des cristaux non linéaires. Dans ce contexte, cette thèse s'attache à l'étude de l'endommagement laser en régime nanoseconde dans les cristaux non linéaires utilisés principalement pour la conversion de fréquence (KTP, KDP, LBO) et les applications électro-optiques (RTP, KDP). Les effets spécifiques aux cristaux liés à leur anisotropie et leurs non linéarités ont imposé le développement d'une métrologie de l'endommagement laser adaptée. Cette métrologie a ensuite été appliquée à l'étude détaillée des cristaux isomorphes de KTP et RTP, et du cristal de LBO. L'influence sur leur tenue au flux laser de multiples paramètres, tels que la longueur d'onde d'irradiation, la polarisation, la direction de coupe du cristal, a pu être étudiée permettant de mieux comprendre les mécanismes responsables de l'endommagement laser dans ces cristaux. L'importance de la caractérisation de la tenue au flux laser de ces cristaux sous irradiation multiple et dans leurs conditions fonctionnelles d'utilisation a été mise en évidence. Par exemple, la coexistence de plusieurs longueurs d'onde au sein du matériau modifie de façon importante la tenue au flux laser du composant

Le développement récent de systèmes électroniques miniaturisés est à l'origine de nombreuses études actuellement entreprises sur les microbatteries au lithium. Dans ce contexte technologique important, ce travail a porté sur l'étude des couches minces de V₂O₅ dopé ou non, préparées par pulvérisation ou co-pulvérisation cathodique, pour une utilisation comme électrode positive dans des microbatteries au lithium. Parmi les différents paramètres de dépôt, la pression partielle d'oxygène joue un rôle important sur les propriétés des couches minces de V₂O₅ pur. Pour de faibles pressions partielles d'oxygène (< 10 %), les couches minces sont amorphes avec une morphologie dense. Elles présentent une exellente tenue en cyclage, même sous de fortes densités de courant. Pour des pressions partielles d'oxygène plus élevées (≥ 10 %), les couches minces sont cristallisées et poreuses et sont caractérisées par une mauvaise tenue en cyclage. La morphologie a donc une forte influence sur la stabilité en cyclage. L'étude par spectroscopie XPS a permis de mettre en évidence la réduction partielle des ions V5+(en exposant) en V4+(en exposant) puis V3+(en exposant) lors de la décharge et leur réoxydation lors de la charge. Une meilleure réversibilité de ces processus d'oxydo-réduction est observée pour les couches minces amorphes, ce qui est à l'origine de leur bonne stabilité en cyclage. De plus, la formation d'une couche de passivation à l'interface couche mince/électrolyte liquide a été mise en évidence par XPS. En ce qui concerne les couches minces de V₂O₅ dopé à l'argent ou au fer, l'influence du dopage est faible lorsque les couches sont déposées en absence d'oxygène. En revanche, elle est plus significative pour une pression partielle d'oxygène de 14 %. Une augmentation de la capacité ainsi que, pour certains matériaux, une nette amélioration de la stabilité en cyclage sont observées. Dans le cas des couches dopées à l'argent, une étude par XPS a mis en évidence la participation additionnelle des ions Ag+(en exposant) aux processus d'oxydo-réduction.

La caractérisation des propriétés structurale et magnétique des alliages Fe-Zr-Nb-B amorphes doux et nanocristallins sous la forme de rubans et de films minces est présentée et discutée dans ce travail. L'étude détaillée des rubans de Fe84Nb3.5Zr3.5B8Cu1 dans leur phase amorphe et nanocristalline a été faite au moyen de mesures par scan calorimétrique différentiel (Differential Scanning Calorimetry – DSC), analyse thermo-gravimétrique (Thermal Gravimetric Analysis – TGA), diffraction de rayon X (X Ray Diffraction – XRD) et spectroscopie Mössbauer. La détermination expérimentale de la distribution de champ d'anisotropie pour des rubans nanocristallins de Fe84Nb3.5Zr3.5B8Cu1 est aussi présentée et discutée dans le but d'avoir une meilleure idée de l'anisotropie effective du système. Les propriétés de magnéto transport de ces rubans ont été étudiées en conduisant des mesures de magneto impédance géante. Egalement discutée est la possible limitation de l'applicabilité du modèle d'anisotropie aléatoire des matériaux magnétiques doux de cristallisation optimale par présentation de la dépendance du champ coercitif appliqué en fonction de la taille de grain et de la fraction volumique dans la cas d'un alliage Fe-Co. Des échantillons de films minces ont été préparés en utilisant des méthodes de sputtering par faisceau d'ions et de sputtering par radio fréquences avec des rubans de Fe84Nb3.5Zr3.5B8Cu1 comme matériau cible. Des informations complémentaires sur les propriétés structurelles des films minces amorphes et nanocristallin ont été obtenues en usant de la réflexivité des rayons X (X ray reflectivity – XRR), analyse par diffraction de rayons X en incidence rasante (Grazing Incidence X rays) et microscope à force atomique (Atomic Force Microscopy – AFM). Les propriétés magnétiques des rubans et films minces étudiés furent caractérisées grâce aux mesures d'hystérésis standard, magnétomètre à échantillon vibrant (Vibrating Sample Magnetometer – VSM) et magnétomètre à gradient de champ alternatif. Les ix études de résonance ferromagnétique faites sur des échantillons de films minces déposés tel quel sont aussi discutées. L'interdépendance des propriétés structurales et magnétiques pour à la fois les rubans et les films minces est discutée.

Les travaux présentés dans ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches sont divisés en deux parties.<br />Le premier chapitre est consacré à l'élaboration de films par CVD assistée par plasma (PECVD) de type a-SiOXCY:H à partir de différents précurseurs organosiliciés et conditions expérimentales, leur caractérisation physicochimique et microstructurale ainsi que leur utilisation en tant que membranes pour la séparation de gaz. Cette étude amène à la conclusion qu'une meilleure connaissance du réseau amorphe est nécessaire pour comprendre l'immobilisation et le transfert d'espèces à travers ces matériaux.<br />Le second chapitre présente une famille de méthodes de caractérisation couplant l'absorption et l'adsorption de molécules sondes avec des méthodes de caractérisation dédiées à l'analyse de couches minces supportées : l'ellipsométrie, la réflectométrie des rayons X aux bas angles, la gravimétrie par microbalance à quartz, toutes les trois couplées chacune avec un dispositif permettant la sorption et la désorption contrôlées de différents gaz et différentes vapeurs. Elles s'appliquent donc aux films minces PECVD mais aussi à tout matériau en couche mince supportée de type polymère ou céramique. Ces techniques de caractérisation in situ, tout à fait intéressantes dans le cadre de l'étude des membranes car elles permettent d'analyser les interactions pénétrant – matrice, sont en cours de développement et apporteront des informations pour la compréhension des mécanismes de transfert.<br /><br />Mots-clefs : PECVD, couches minces et membranes, nanoporosité, EP, QCM, RRX

Ce mémoire concerne l'élaboration de couches minces par ablation laser femtoseconde (Pulsed Laser Deposition, PLD) et la caractérisation du panache plasma. Les résultats obtenus pour le dépôt de couches minces de Diamond-Like Carbon (DLC) sont présentés avec l'objectif de déposer des couches à grande dureté et faible coefficient de frottement, avec de bonnes propriétés d'adhérence sur divers substrats d'intérêt biomédical. Des couches minces ont pu être déposées avec succès sur une tête fémorale de prothèse de hanche. Les propriétés des DLC élaborés par PLD femtoseconde et nanoseconde PLD ont été comparées au travers des propriétés optiques des films et d'une caractérisation du plasma.<br>Des nanoparticules ont été déposées par PLD femtoseconde, et incluses dans une matrice DLC. Des films de DLC dopés au nickel ou tantale (en raison de leur différente affinité chimique avec le carbone) ont été synthétisés. Deux différentes phases cristallines sont obtenues dans le cas du DLC dope Ta, avec la présence surprenante d'une phase métastable β-Ta, qui est corrélée aux propriétés du plasma. La présence de carbure de tantale est également mise en évidence sur les bords des clusters de tantale.<br> Les films de DLC pur et de DLC dopé aux métaux sont caractérisés pour l'application aux électrodes pour biocapteurs, avec une sensibilité élevée et une faible limite de détection. L'optimisation avec l'incorporation d'un autre dopant, tel que le bore est discutée.<br> La possibilité d'utiliser ces couches de DLC dopé au bore pour des capteurs thermiques et nanocalorimétriques est étudiée dans le cadre d'un projet ANR. Les thermomètres à base de DLC avec un fort TCR (Coefficient de Température de Resistance) sont intégrés dans des structures suspendues, et montrent de bonnes propriétés.<br> Dans la dernière partie de ce mémoire, les perspectives envisagées pour ce travail sont présentées, avec l'introduction d'une mise en forme temporelle de l'impulsion laser femtoseconde et d'une boucle adaptative d'optimisation. Ces premiers travaux mettent bien en évidence les potentialités de cette technique, pour le dépôt couches minces et la synthèse de nanoparticules, permettant un contrôle de la nature et de l'énergie cinétique des particules du plasma. La suite de ce travail envisage donc de mieux comprendre les effets d'une mise en forme temporelle de l'impulsion laser femtoseconde sur les propriétés des produits d'ablation et donc des couches minces élaborées.