L'intégration d'oxydes ferroélectriques permet la réduction des dimensions de dispositifs électroniques pour des applications en télécommunications, tout en leur apportant la reconfigurabilité. Parmi ces matériaux multifonctionnels, KxNa1-xNbO3 (KNN) se présente comme un candidat oxyde sans plomb prometteur pour un grand nombre d'applications. L'objectif de cette thèse est l'élaboration de couches minces de KNN et l'étude de leurs propriétés diélectriques en hyperfréquences en vue de leur intégration dans des antennes miniatures et reconfigurables. La permittivité εr, les pertes tanδ et l'agilité seront caractérisées à partir de couches minces de KNN déposées par la technique d'ablation laser. De plus, les avancements sur les dépôts par pulvérisation cathodique seront présentés. Après une étude sur la composition du matériau, l'influence des propriétés structurales sur les propriété diélectriques à travers l'utilisation de deux types de substrats a permis l'obtention d'une agilité de 20% sous un champ Ebias de 90 kV/cm. Une caractérisation diélectrique en température aura permis d'observer, à 10 GHz, une augmentation de la permittivité de 360 à 20°C jusqu'à 1000 à 240°C au niveau de la transition de phase polymorphique. Lors de ces travaux, la phase bronze de tungstène tétragonale (TTB), encore très peu étudiée dans le système K-Na-Nb-O a été préparée en couches minces fortement orientées et une permittivité élevée a été obtenue à basses (~200 à 10 kHz) et hautes fréquences (~130 à 10 GHz). Enfin la conception, la réalisation et la mesure d'antennes miniatures intégrant du KNN ont été effectuées. / Ferroelectric materials are a solution for reducing the size of electronic devices for telecommunication applications while also enabling reconfigurability. Among the multifunctional materials, KxNa1-xNbO3 (KNN) is a promising lead-free oxide for a large number of applications. The main goal of this work is the elaboration of KNN thin films and their dielectric characterisations in order to integrate the thin film to obtain miniature reconfigurable antennas. The permittivity εr, the loss tanδ and the tunability, at microwave frequencies, of the KNN were retrieved from thin films prepared by pulsed laser deposition. Also, the progress on the deposition of KNN thin films by RF magnetron sputtering will be presented. After the investigation of the effect of the composition and the structural properties of the KNN thin films on their dielectric properties, the tunability has been increased up to 20% under a 90 kV/cm electric field for x = 0.5. A dielectric characterisation of depending on the temperature, at 10 GHz, has shown an increase of the permittivity value from 360 at 20°C up to 1000 at 240°C, indicating the polymorphic phase transition. The tetragonal tungsten bronze phase (TTB), barely studied in the K-Na-Nb-O system, has been prepared in thin film and exhibiting high values of permittivity at both low and microwave frequencies (~200 à 10 kHz and ~130 à 10 GHz). Finally the design, realisation and measurements of miniature antennas integrating KNN has been done.

L’amplification par dérive de fréquence démontrer en 1985 a permis la création d’installations laser en impulsions courtes tels que Petal (Petawatt Aquitaine Laser). La montée en puissance de ces lasers est limitée par la résistance au flux laser des composants placés après la compression. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la résistance au flux laser de ces composants qui sont des miroirs qui consiste en un empilement multicouches. Trois approches sont envisagées le changement de designs des empilements couches minces (nombre de couche, épaisseurs), de matériaux et/ou de procédés de fabrication. Une étude numérique a permis d’envisager théoriquement le changement de matériaux et/ou de design et de quantifier les améliorations possibles. Cette étude a mené au développement d’un algorithme d’optimisation des designs qui nécessite la caractérisation préalable des matériaux. Par conséquent, une variété de matériaux déposés en monocouches a été testée au flux laser et caractérisé optiquement pour évaluer l’adéquation matériaux et technique de dépôt. Les résultats obtenus montrent une forte dispersion qui ne peut être expliqué par des lois préalablement établi dans la littérature. Cependant, une bonne corrélation entre le seuil de tenue au flux laser intrinsèque dans l’infrarouge et l’absorption dans l’ultraviolet a été observé ce qui confirme l’influence de l’absorption multi-photonique sur l’endommagement laser en impulsions courtes. Pour finir, l’ensemble de ces résultats expérimentaux et de l’algorithme d’optimisation ont permis la fabrication d’échantillons de miroirs qui montrent une amélioration du seuil de tenue au flux laser de 73% par rapport à des miroirs quart d’onde classiques. / The chirped pulse amplification demonstrated in 1985 allowed the development of petawatt class laser such as Petal (Petawatt Aquitaine Laser). The increase of power of those facilities is limited by the resistance to laser-induced damage of the optical components placed after the compression stage. The aim of this thesis is to improve the laser-induced damage threshold of those components which are multilayer dielectric mirrors. Three paths of improvement are considered the change of design (number of layer, thicknesses), of materials and/or deposition process. A numerical study allows evaluating the potential improvement brought by two of those paths. This led to the development of a design optimization algorithm that required the prior characterization materials. Consequently, various materials deposited as single layers were laser damage tested and optically characterized to evaluate the adequacy of the materials with the deposition process. The results show a wide discrepancy that cannot be explained by the laws exposed in the literature. However, a good correlation was found between the intrinsic laser-induced damage thresholds in the infrared with the absorption in the ultraviolet confirming the influence of the multiphoton absorption in the laser-induced damage mechanisms. Finally, those experimental results combined with the optimization algorithm allowed the development of mirror samples that exhibit laser-induced damage threshold 73% higher than one of classical mirrors.

La modification des propriétés optiques et électriques du silicium apportée par la réduction en taille, notamment due aux effets de confinement quantique des porteurs de charges, est aujourd'hui bien connue et a permis le développement de nouveaux systèmes en optoélectronique. Comme dans le cas du silicium massif, le dopage devrait permettre d'optimiser les propriétés du silicium nanostructuré. Cependant, les caractéristiques du dopage dans le silicium nanostructuré sont encore mal comprises et de nombreux questionnements, concernant la localisation des impuretés ainsi que leur état d'activation, restent en suspens. De plus, l'environnement des impuretés semble avoir une influence majeure sur l'ensemble des propriétés. Cette thèse vise à mieux comprendre les caractéristiques structurales du dopage à l'échelle atomique en fonction de la nature de l'impureté, de la matrice hôte et de la technique d'élaboration. Pour cela, nous avons étudié deux types de système en sonde atomique tomographique. Le premier concerne un dopage aux ions de terres rares dans les silicates d'hafnium. Nous avons mis en évidence que la formation de nano-grains de HfO2 cristallisés sous la forme cubique permet un transfert d'énergie efficace vers les ions praséodyme. Le second porte sur les dopages de type n et p de nanocristaux de silicium insérés dans la silice. Nous avons démontré l'introduction des impuretés de type n (As, P) au cœur des nanocristaux, indépendamment de la technique d'élaboration, permettant de réaliser des forts dopages. Un comportement différent a été mis en évidence pour les impuretés de type p, avec l'accumulation de Bore aux interfaces entre les nanocristaux et la matrice. / The change of silicon optical and electrical properties induced by size reduction, due to the quantum confinement of charged carriers, is a well-known effect and allowed to develop new optoelectronic devices. As in bulk silicon, doping should allow to optimize these properties in nanostructured silicon. However, the characteristics of doping of nanostructured silicon still misunderstood and many questions, concerning the location of impurities and their activation state, remain unanswered. Moreover, in these materials, the environment of impurities seems to inuence strongly all of their properties. The purpose of this thesis is to get a better understanding of structural characteristics of doping at the atomic scale in function of the nature of the impurity, the host matrix, and the elaboration technic. In this way, we have investigated two di_erent systems using atom probe tomography. The first concerns a rare earth doping of hafnium silicates. We have evidenced that the clustering of HfO2 nano-grains crystallized in their cubic form induced an efficient energy transfer with praseodymium ions. The second system concern the n and p type doping of silicon nanocrystals embedded in silica. We have demonstrated the important introduction of n type impurities (As, P) in the core of every nanocrystals, independently of the elaboration technic. This introduction of impurities should allow the formation of highly doped silicon nanocrystals. A different behavior has been observed in the case of p type doping, represented by the aggregation of Boron at the interface between the nanocrystals and the silica matrix.

Dans un contexte général d’augmentation de la demande énergétique et de préoccupation croissante face au réchauffement climatique et à la limitation des ressources naturelles, l’utilisation d’énergie solaire devrait augmenter. L’avenir des différentes technologies photovoltaïques dépend évidemment de leur rendement de conversion photovoltaïque et de leur coût mais aussi de la disponibilité des ressources. Les couches minces de kesterite, Cu2ZnSnS4 (CZTS), Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) ou Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), composées d’éléments abondants dans la croûte terrestre se positionnent en candidat prometteur pour la conversion d’énergie solaire à grande échelle.Dans cette thèse, l’électro-dépôt, un procédé compatible avec des exigences industrielles de production, est utilisé pour déposer un précurseur de cuivre, étain et zinc sur des substrats de 15 × 15 cm2, de composition et épaissseur contrôlables. Ce précurseur est ensuite converti en semiconducteur par traitement thermique en présence de soufre ou de sélénium. Les couches ainsi formées de Cu-Zn-Sn-S ou Cu-Zn-Sn-Se, doivent être uniformes et présenter les propriétés appropriées (phases, composition, morphologie) pour la fabrication de cellules solaires à haut rendement. Le procédé de fabrication de la cellule solaire complète, notamment les étapes qui interviennent dans la formation de la jonction p-n (décapage chimique et dépôt de couche tampon) est également optimisé pour maximiser les rendements. A l’issue de ces optimisations, un rendement de 9.1% est obtenu pour une cellule solaire CZTSe, un nouveau record pour les cellules solaires à base de kesterite fabriquées par électro-dépôt. / Facing growing energy demand and increasing concerns about climate change and finite energy sources, solar energy use should increase. The future of the different photovoltaic technologies obviously depends on their power conversion efficiency and cost (summarized by the ratio cost per watt), but also on the elements availability. Thin films of earth-abundant kesterite, Cu2ZnSnS4 (CZTS), Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) or Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), which can be manufactured with low-cost processes, are promising candidates for solar energy conversion at large scale.In this thesis, a copper tin and zinc precursor of controllable composition and thickness is electrodeposited on 15 × 15 cm2 substrates. Electrodeposition is a process compatible with high throughput low-cost and safety industry requirements. The precursor is converted into a semiconductor by thermal treatments in presence of sulfur or selenium. The resulting Cu-Zn-Sn-S or Cu-Zn-Sn-Se layers should be uniform and have adequate properties (phases, composition and morphology) to produce high efficient solar cells. Full device processing, including the pn junction formation steps (wet chemical etching and buffer layer deposition) is also investigated in order to maximize device efficiency. The best CZTSe solar cell exhibits a 9.1% powerconversion efficiency, setting a new record for kesterite solar cells produced by electrodeposition.

Le photovoltaïque (PV) s’est imposé comme un acteur majeur de l’énergie. L’innovation dans ce domaine passera sans doute par le PV à haut rendement sur des couches minces flexibles et légères permettant son déploiement dans les applications mobiles. Cette thèse étudie le développement de cellules solaires III-V à structures quantiques visant des concepts PV hauts rendements tels les cellules solaires à bande intermédiaire (IBSC). Ces IBSC se sont montrés limités du fait de l’échappement thermique des porteurs à température ambiante ainsi que la faible absorption optique sous le gap. Nous avons évalué la topologie, le mécanisme d’échappement thermique, la structure quantique ainsi que l’absorption de boites quantiques en In(Ga)As dans un matériau hôte en Al0.2GaAs à grand gap. Nous avons aussi caractérisé de manière quantitative comment opère ce système et avons amélioré son design optique. Sous une forte irradiation, nous avons mis en évidence l’apparition d’une population de porteurs chauds dans les boites quantiques. Par ailleurs, l’effet d’absorption sequentielle à deux photons (S-TPA) a été démontré. Nous avons observé une augmentation de ce S-TPA d’un facteur x5-10 grâce à du management de la lumière réalisé notamment avec des cavités de Fabry-Pérot. Des nanostructures périodiques ont aussi été fabriquées dans le cas de cellules solaires à multi-puits quantiques par l’utilisation de lithographie en nanoimpression. Dans l’ensemble cette étude vise à discuter la possibilité de réaliser des cellules solaires à porteurs chauds assistés d’une bande intermédiaire et améliorées par un management optique afin d’ouvrir la voie pour des cellules à hauts rendements. / In the past decade, photovoltaics (PV) has become a key player for the future of worldwide energy generation. Innovation in PV is likely to rely on high efficiency PV with flexible and lightweight thin films to enable PV deployement for mobile applications. In the framework of the Japanese-French laboratory “NextPV”, this thesis investigates the development of III-V quantum structured solar cells to explore high-efficiency photovoltaic concepts especially intermediate band solar cells (IBSC). Quantum structured IBSC have proven to be limited by thermal escape at room temperature and by low subbandgap light absorption. Following a consistent approach, we evaluate the topology, thermal escape mechanism, quantum structure and optical absorption of In(Ga)As quantum dots in a wide gap Al0.2GaAs host material. We also characterize quantitatively the device operation and improve the optical design. For a high irradiation, we evidence a hot carrier population in the quantum dots. At the same time, sequential two-photon absorption (S-TPA) is demonstrated both optically and electrically. We also show that S-TPA for both subbandgap transitions can be enhanced by a factor x5-10 with light management techniques, for example by implementation of Fabry-Perot cavities with the different epitaxial transfer methods that we developed. More advanced periodical nanostructures were also fabricated in the case of multi-quantum well solar cells using nanoimprint lithography techniques. Overall we discuss the possibility of realizing intermediate-band-assisted hotcarrier solar cells with light management to open the path for high-efficiency quantum structured IBSC.

La photocatalyse laisse entrevoir un large champ d’applications dans de nombreux domaines parmi lesquels figurent principalement ceux du traitement et de la purification de l’eau et de l’air. Ceci constitue une des raisons pour lesquelles les études fondamentales des processus de dégradation des molécules organiques à la surface des photocatalyseurs concernent le plus souvent les phases liquides et gazeuses. Les développements plus récents des applications de la photocatalyse dans le domaine des surfaces autonettoyantes ont soulevé des problématiques fondamentales concernant les mécanismes de dégradation photocatalytique de composés solides tels que les suies et les acides gras. Ces problématiques restent encore peu abordées dans la littérature malgré les enjeux majeurs en terme environnemental et méritent donc des travaux de recherche plus approfondis. Cette thèse porte sur l’étude des modes de dégradation photocatalytique de dépôts solides d’acide stéarique (AS) sur des couches minces de dioxyde de titane. Dans ce travail, des approches expérimentales originales basées sur la microscopie optique sont mises en œuvre pour suivre la dégradation photocatalytique de ces dépôts d’AS à l’échelle microscopique sous exposition à la lumière ultraviolette. Les dépôts d’AS se présentent sous forme d’îlots microscopiques présentant une distribution de taille et de forme. Sur la base d’un nouveau modèle cinétique que nous proposons, le lien existant entre la vitesse de dégradation photocatalytique du dépôt et la distribution de taille initiale de la population d’îlots est mis en évidence. Le modèle cinétique développé permet de rationaliser nos résultats et de concilier d’autres résultats, jusqu’alors contradictoires, de la littérature. Ce travail propose en outre une étude originale sur la dégradation photocatalytique de microcristaux d’AS déposés sur des couches minces de TiO2 microstructurées qui a permis d’appréhender le rôle des radicaux libres dans le processus de dégradation photocatalytique. La démarche expérimentale est basée sur le lien étroit existant entre l’orientation des molécules, inhérente à la structure propre des microcristaux, et les directions des plans cristallographiques {hkl}. Ainsi, nous mettons en évidence une dépendance en {hkl} des vitesses de dégradation des microcristaux qui est justifiée à l’échelle moléculaire par l’affinité des radicaux pour les terminaisons chimiques exposées selon ces plans cristallographiques / Photocatalysis is widely used in a variety of applications in water and air purification. For those reasons, fundamentals research on the photocatalytical degradation processes of organic compounds on photocatalysts surfaces concern in most cases liquid and gaseous phases. The more recent development of self-cleaning surfaces has raised several issues concerning the mechanisms of photocatalytic degradation of solid deposits such as soot or fatty acids. These issues remain little addressed in the literature and therefore deserve further attention. This thesis work deals with the study of the photocatalytical degradation modes of solid deposits of stearic acid (SA) on the surface of titanium dioxide thin films. In this work, an original experimental approach based on the use of optical microscopy is implemented to monitor, on a microscopic scale, the SA deposits as a function of UV light exposure. Viewed under microscope, the SA deposits appear as microscopic islands presenting size and form distribution. On the basis of a new kinetic model we propose, the existing relationships between the degradation rate of the deposit and the initial size distribution of the islands population is demonstrated. The proposed kinetic model rationalizes our experimental results as well as several others from the literature. Additionally, an original study on the degradation of SA microcrystals, grown on microstructured TiO2 thin films, provides insight into the role of the photogenerated oxygenated radicals in the photocatalytical mechanisms. Furthermore, the anisotropy of the microcrystals structure is put in relation with that of the SA molecules orientations within the microcrystal. This explains the observed {hkl}-dependence of the degradation rate of the microcrystals

Récemment, beaucoup d'efforts ont été consacrés au contrôle de l'aimantation dans les nanostructures par d'autres moyens qu'un champ magnétique externe. En effet, le but est de miniaturiser les dispositifs et il est difficile d'imposer un champ magnétique présentant de faibles dimensions latérales. D'autre part, les ondes de spin ouvrent actuellement de nouvelles perspectives dans le traitement de l'information. Les avantages qu'elles présentent sont les suivants: longueurs d'onde nanométriques, à comparer à celles des ondes électromagnétiques dans la même gamme de fréquences (GHz-THz), et absence de chauffage par effet Joule. Une possibilité de contrôle réside dans l'utilisation d'ondes acoustiques de surface pour induire la dynamique de l'aimantation ou pour contrôler les ondes de spin. En d'autres termes le contrôle de l'aimantation s’exerce alors via une déformation dynamique. Ceci est rendu possible grâce à une propriété fondamentale des corps magnétiques, le couplage magnéto-élastique, c'est-à-dire le couplage entre aimantation et déformation. Cette thèse porte sur la phénoménologie de l'interaction magnéto-élastique dans les couches minces épitaxiées magnétostrictives de Fe0.8Ga0.2. Nous avons effectué une étude expérimentale systématique des interactions magnéto-élastiques dans des films minces de différentes épaisseurs et structures magnétiques. Nous avons aussi développé deux modèles phénoménologiques, pour interpréter nos expériences. Nous obtenons le résultat important suivant: il est possible d'extraire, d'une étude acoustique, les constantes magnéto-élastiques ainsi que les constantes d'anisotropie magnétique. La thèse a aussi une forte composante technologique. Un des buts était d'exciter efficacement des ondes acoustiques de surface dans la gamme de fréquences de quelques GHz (1-5 GHz) sur substrat piézoélectrique de GaAs dans le but d'observer l'interaction résonante avec les ondes de spin thermiques. Nous avons aussi cherché à exciter des ondes de spin, dans des couches minces épitaxiées, avec des antennes RF afin d'observer l'interaction résonante. Nous présentons des expériences préliminaires sur cette interaction, qui ont été réalisées en diffusion Brillouin (BLS) et en diffusion micro Brillouin, en collaboration avec le laboratoire GHOST à Pérouse, en Italie. / Recently, lot of efforts have been devoted to control the magnetization in nanostructures by means other than external magnetic field to achieve device miniaturization, as it is difficult to handle the magnetic field at low lateral dimensions. On the other hand, a new road emerged towards the wave based computing by employing spin waves (SWs). The advantages, that SWs offer for the data processing are nm wavelength as compared to the electromagnetic waves in the same frequency range (GHz-THz) and the absence of Joule heating. A possibility exists to use Surface Acoustic Waves (SAWs), in other words, dynamic strain, to induce magnetization dynamics or to control spin waves. This is possible due to a very fundamental property of magnetic bodies, the magneto-elastic coupling, that is when magnetization orientation and strain are coupled. This thesis focuses on the phenomenology of the magneto-elastic interaction in thin epitaxied films of magnetostrictive Fe0.8Ga0.2. We performed a systematic experimental study of the magneto-elastic interactions in thin films of different thicknesses and magnetic structures. We also developed two phenomenological models in order to interpret our results. An important result of this study is that we are able to extract the magneto-elastic and the magnetic anisotropy constants by acoustic means. The thesis has also a strong technological component. One aim was to efficiently excite surface acoustic waves in GHz frequency range (1-5 GHz) on GaAs piezoelectric substrates in order to observe the resonant interaction with thermal spin waves. We also managed to excite spin waves in thin epitaxied magnetostrictive layers, using RF antennas. We report preliminary measurements on this interaction that were performed with Brillouin light scattering (BLS) and micro BLS techniques in collaboration with the GHOST laboratory in Perugia, Italy.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une cotutelle internationale entre l’Université de Bourgogne Franche-Comté en France et l’Université de Sherbrooke au Canada. Elle porte sur le développement d'un biocapteur miniature pour la détection et la quantification de bactéries dans des milieux liquides complexes. La bactérie visée est l’Escherichia coli (E. coli), régulièrement mise en cause dans des épidémies d'infections alimentaires, et parfois meurtrière.La géométrie du biocapteur consiste en une membrane en arséniure de gallium (GaAs) sur laquelle est déposé un film mince piézoélectrique d’oxyde de zinc (ZnO). L'apport du ZnO structuré en couche mince constitue un réel atout pour atteindre de meilleures performances du transducteur piézoélectrique et consécutivement une meilleure sensibilité de détection. Une paire d'électrodes déposée sur le film de ZnO permet de générer sous une tension sinusoïdale une onde acoustique se propageant dans le GaAs, à une fréquence donnée. La face arrière de la membrane, quant à elle, est fonctionnalisée avec une monocouche auto-assemblée (SAM) d'alkanethiols et des anticorps anti-E. coli, conférant la spécificité de la détection. Ainsi, le biocapteur bénéficie à la fois des technologies de microfabrication et de bio-fonctionnalisation du GaAs, déjà validées au sein de l’équipe de recherche, et des propriétés piézoélectriques prometteuses du ZnO, afin d’atteindre potentiellement une détection hautement sensible et spécifique de la bactérie d’intérêt. Le défi consiste à pouvoir détecter et quantifier cette bactérie à de très faibles concentrations dans un échantillon liquide et/ou biologique complexe.Les travaux de recherche ont en partie porté sur les dépôts et caractérisations de couches minces piézoélectriques de ZnO sur des substrats de GaAs. L’effet de l’orientation cristalline du GaAs ainsi que l’utilisation d’une couche intermédiaire de Platine entre le ZnO et le GaAs ont été étudiés par différentes techniques de caractérisation structurale (diffraction des rayons X, spectroscopie Raman, spectrométrie de masse à ionisation secondaire), topographique (microscopie à force atomique), optique (ellipsométrie) et électrique. Après la réalisation des contacts électriques, la membrane en GaAs a été usinée par gravure humide. Une fois fabriqué, le transducteur a été testé en air et en milieu liquide par des mesures électriques, afin de déterminer les fréquences de résonance pour les modes de cisaillement d’épaisseur. Un protocole de bio-fonctionnalisation de surface, validé au sein du laboratoire, a été appliqué à la face arrière du biocapteur pour l’ancrage des SAMs et des anticorps, tout en protégeant la face avant. De plus, les conditions de greffage d’anticorps en termes de concentration utilisée, pH et durée d’incubation, ont été étudiées, afin d’optimiser la capture de bactérie. Par ailleurs, l’impact du pH et de la conductivité de l’échantillon à tester sur la réponse du biocapteur a été déterminé. Les performances du biocapteur ont été évaluées par des tests de détection de la bactérie cible, E. coli, tout en corrélant les mesures électriques avec celles de fluorescence. Des tests de détection ont été réalisés en variant la concentration d’E. coli dans des milieux de complexité croissante. Différents types de contrôles ont été réalisés pour valider les critères de spécificité. En raison de sa petite taille, de son faible coût de fabrication et de sa réponse rapide, le biocapteur proposé pourrait être potentiellement utilisé dans les laboratoires de diagnostic clinique pour la détection d’E. coli. / This thesis was conducted in the frame of an international collaboration between Université de Bourgogne Franche-Comté in France and Université de Sherbrooke in Canada. It addresses the development of a miniaturized biosensor for the detection and quantification of bacteria in complex liquid media. The targeted bacteria is Escherichia coli (E. coli), regularly implicated in outbreaks of foodborne infections, and sometimes fatal.The adopted geometry of the biosensor consists of a gallium arsenide (GaAs) membrane with a thin layer of piezoelectric zinc oxide (ZnO) on its front side. The contribution of ZnO structured in a thin film is a real asset to achieve better performances of the piezoelectric transducer and consecutively a better sensitivity of detection. A pair of electrodes deposited on the ZnO film allows the generation of an acoustic wave propagating in GaAs under a sinusoidal voltage, at a given frequency. The backside of the membrane is functionalized with a self-assembled monolayer (SAM) of alkanethiols and antibodies anti-E. coli, providing the specificity of detection. Thus, the biosensor benefits from the microfabrication and bio-functionalization technologies of GaAs, validated within the research team, and the promising piezoelectric properties of ZnO, to potentially achieve a highly sensitive and specific detection of the bacteria of interest. The challenge is to be able to detect and quantify these bacteria at very low concentrations in a complex liquid and/or biological sample.The research work partly focused on the deposition and characterization of piezoelectric ZnO thin films on GaAs substrates. The effect of the crystalline orientation of GaAs and the use of a titanium / platinum buffer layer between ZnO and GaAs were studied using different structural (X-ray diffraction, Raman spectroscopy, secondary ionization mass spectrometry), topographic (atomic force microscopy), optical (ellipsometry) and electrical characterizations. After the realization of the electrical contacts on top of the ZnO film, the GaAs membrane was micromachined using chemical wet etching. Once fabricated, the transducer was tested in air and liquid medium by electrical measurements, in order to determine the resonance frequencies for thickness shear mode. A protocol for surface bio-functionalization, validated in the laboratory, was applied to the back of the biosensor for anchoring SAMs and antibodies, while protecting the top side. Furthermore, different conditions of antibody grafting such as the concentration, pH and incubation time, were tested to optimize the immunocapture of bacteria. In addition, the impact of the pH and the conductivity of the solution to be tested on the response of the biosensor has been determined. The performances of the biosensor were evaluated by detection tests of the targeted bacteria, E. coli, while correlating electrical measurements with fluorescence microscopy. Detection tests were completed by varying the concentration of E. coli in environments of increasing complexity. Various types of controls were performed to validate the specificity criteria. Thanks to its small size, low cost of fabrication and rapid response, the proposed biosensor has the potential of being applied in clinical diagnostic laboratories for the detection of E. coli.

Dans le but d’observer l’influence du nombre de plans atomiques sur les propriétés op- tiques de couches ultra-minces de pérovskite d’halogénure de plomb méthylammonium, des échantillons ont été fabriqués suivant trois méthodes de synthèse, une par synthèse liquide en deux étapes et deux par évaporation. La qualité des échantillons synthétisés selon la méthode liquide a été vérifiée par des mesures de spectroscopie rayon X à angle rasant. Nous avons observé que les temps de trempage utilisés n’étaient pas assez longs afin de convertir tout le PbI 2 . Aucun autre échantillon n’a cependant été synthétisé selon cette mé- thode puisque leur épaisseur était trop grande pour ce qui était recherché. Les échantillons synthétisés par évaporation ont été vérifiés par rétrodiffusion Rutherford. Afin de vérifier les propriétés optiques de ces échantillons, des mesures de photoluminescence ont été ef- fectuées. Aucune émission pouvant être attribuée aux pérovskites n’a été trouvée. Suivant l’hypothèse que cela était dû à la dégradation des couches par l’humidité, des mesures de RBS utilisant la résonance de l’oxygène ont été effectuées afin de voir s’il y avait une aug- mentation dans la quantité d’oxygène comparativement à un substrat de silicium vierge. Nous avons trouvé (11±2)×10 15 atomes/cm 2 d’oxygène dans le substrat vierge par rapport à (7±2)×10 15 atomes/cm 2 d’oxygène pour l’échantillon. Il y a donc 36% moins d’oxygène dans l’échantillon, alors que la quantité de silicium dans le pic d’oxyde était similaire dans les deux mesures, suggérant la même épaisseur d’oxyde initiale. Il semble donc qu’une des étapes de synthèse enlève de l’oxygène et qu’il y a globalement une diminution dans la quantité d’oxy- gène. Comme cela ne concorde avec aucune des deux situations envisagées, dégradation ou non, il n’était pas possible de déterminer par ces mesures si l’absence de signal de photo- luminescence était due à l’humidité. Des mesures RBS/ERD ont donc été effectuées afin de mesurer s’il y avait insertion de l’autre composant de l’humidité, soit l’hydrogène. Nous avons trouvé que la quantité d’hydrogène présente était 3.6 fois plus élevée que ce qui de- vrait être le cas à partir de la quantité des précurseurs évaporés. Une si grande différence ne peut être expliquée par la dégradation par l’humidité, il y a forcément d’autres mécanismes qui provoquent une augmentation de la quantité d’hydrogène. Il s’avère donc que la chimie entourant la synthèse et la dégradation des échantillons est plus complexe qu’initialement considérée. / In order to observe the influence of the number of atomic layers on the optical properties of ultrathin layers of methylammonium lead iodide perovskite, samples were synthesized using three different methods, one by a two-step liquid synthesis and two by evaporation. The quality of the samples synthesized by the liquid method was verified by grazing incidence X-ray diffraction spectroscopy measurements. We observed that the soaking times used were not long enough to convert all the PbI2. No other sample was synthesized by this method since the thickness of these was too great for our goal. The samples synthesized by evaporation were checked by Rutherford backscattering spectrometry. In order to verify the optical properties of these samples, photoluminescence measurements were made. No emission that can be attributed to perovskites has been found. Under the assumption that this was due to moisture degradation of the perovskite layers, RBS measurements using oxygen resonance were performed to see if there was an increase in the amount of oxygen compared to a virgin silicon substrate. We found (11±2)×1015atoms/cm2 of oxygen for the substrate versus (7±2)×1015atoms/cm2 of oxygen for the sample. There is 36% less oxygen in the sample, whereas the quantity of silicon in the surface is similar in both measurements, suggesting the same initial oxide thickness. It seems that one of the synthesis steps removes oxygen and that there is globally a decrease in the amount of oxygen. Since this does not concord with either of the two situations considered, degradation or not, it was not possible to determine just from these measurement if the lack of photoluminescence signal was due to moisture. RBS / ERD measurements were then taken to measure whether there was an increase in the other component of moisture, hydrogen. We found that the amount of hydrogen present was 3.6 time higher then predicted by the amount of evaporated precursors. Such a large difference can not be explained solely by moisture degradation, there are inevitably other mechanisms that cause an increase in the amount of hydrogen. It turns out that the chemistry surrounding the synthesis and the degradation of the samples is more complex than initially considered.

Dans le cadre de l’intégration tridimensionnelle (3D) associée à l’utilisation d’un nombre croissant de circuits intégrés (CIs), le besoin en condensateurs de découplage à forte densité de capacité (≥ 1 μF.cm-2), capables d’opérer sur une gamme de fréquences de plus en plus étendue, est crucial afin de limiter les fluctuations de tension d’alimentation au niveau des CIs. Le principal frein au développement de ces condensateurs réside dans l’obtention de couches minces (≤ 100 nm) à partir de matériaux ayant une forte permittivité relative (ε_r > 200 à 1 GHz), des technologies compatibles avec une intégration à grande échelle, et peu coûteux.L’approche proposée dans cette thèse s’appuie d’une part, sur la possibilité de synthétiser des nanoparticules diélectriques à base de Ba0.6Sr0.4TiO3 [BST] (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 à 1 kHz) - obtenues en milieux fluides supercritiques - comme matériau diélectrique et d’autre part, sur la pulvérisation de jets ou spray coating comme technologie de dépôt en couches minces. Dans un premier temps, les nanoparticules de BST ont été synthétisées et fonctionnalisées par l’acide 3-aminopropylphosphonique (APA), dans le but de les disperser dans un solvant et d’obtenir des suspensions colloïdales stables. Les ligands ont aussi pour fonction d’améliorer la tenue mécanique des films (auto-assemblage) sur le substrat de cuivre (Cu). La variation de paramètres liés à la solution à base des nanoparticules (concentration, durée de dispersion mécanique) et à la technique de dépôt (température du substrat, débit), ont permis d’optimiser les conditions pour obtenir des films uniformes à base de nanoparticules fonctionnalisées (BST-APA). Des films de 200 ± 50 nm d’épaisseur ont ainsi pu être obtenus. Après dépôt de plots d’aluminium (Al) sur les films à base de BST-APA et utilisés comme électrode supérieure, les caractéristiques capacité-tension (C-V) et courant-tension (I-V) des condensateurs de structure Al/BST-APA/Cu ont permis d’extraire une densité de capacité élevée (0.71 μF.cm-2) et une densité de courant de fuite (25 μA.cm-2) mesurées à 1 V. Les résultats obtenus au cours de cette thèse montent que la pulvérisation de jets est une alternative aux procédés coûteux reportés (ablation laser, pulvérisation) dans l’état de l’art, pour la fabrication de condensateurs de hautes performances.Mots clés : Condensateurs MIM, couches minces, fluides supercritiques, diélectriques, Ba0.6Sr0.4TiO3, pulvérisation de jets, nanofabrication. / Within the three-dimensional (3D) integration associated with the use of an increasing amount of integrated circuits (ICs), there is strong need of high capacitance density (≥ 1 μF.cm-2) decoupling capacitors, able to operate on large frequency bandwidth, in order to reduce the noise that can compromise the signal integrity in ICs. The main challenge of these capacitors relies on the deposition of thin films (≤ 100 nm) using innovative materials with high relative permittivity (ε_r > 200 à 1 GHz) and «low cost» technologies compatible with large scale integration.On one hand, the proposed approach in this thesis benefits from the possibility of synthetizing – by the supercritical fluid technology – and using Ba0.6Sr0.4TiO3 (BST) nanoparticles (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 at1 kHz) as dielectric material and on the other hand, from the use of spray coating as technique for the deposition of these materials as thin films. First of all, the BST nanoparticles synthesized are functionalized with specific ligands (3-aminopropylphosphonic acid, APA), in order to obtain colloidal suspensions composed by aggregates with size (Ø < 100 nm) showing few fluctuations during two months. The other function of ligands is to improve the adhesion of the deposited films (self-assembling) on the copper (Cu) substrate. Different solvent are studied for the preparation of the solutions : N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), water, methanol and ethanol. The variation of different parameters related to the solution and the deposition technique helped us to define the optimal conditions leading to different thickness of film (200 – 1000 nm) based on pristine (BST) and functionalized nanoparticles (BST-APA). Using ethanol instead of NMP as solvent, enabled us to prevent de formation of a copper oxide layer and organic residues. After deposition of aluminum pads (Al) on BST or BST-APA films and used as top electrode, the capacitance-voltage (C-V) and current-voltage (I-V) characteristics of capacitors with metal-insulator-metal (MIM) structure enabled us to achieve high capacitance density (~ 0.7 μF.cm-2) and low leakage current (~ 25 μA.cm-2) at 1 V.Keywords: MIM capacitors, thin films, supercritical fluids, Ba0.6Sr0.4TiO3, spray coating, nanofabrication in cleanroom.