A new materials system of a single layered Co(W) barrier/liner coupled with a Cu(Mn) alloy seed was investigated. Atom probe tomography visualized the sub-nanoscale structure of Cu(Mn)/Co(W) system, and thereby revealed Cu diffusion behavior of Co(W). Grain boundaries of Co were found to be the diffusion path, and successfully stuffed by W. Mn in Cu(Mn) also segregated to stuff the grain boundaries of Co. Combination of these two additives enabled high barrier property against Cu diffusion of Cu(Mn)/Co(W). Foreseeing tiny and high-aspect-ratio Cu interconnect features, Cu(Mn)/Co(W) was fabricated by ALD/CVD processes. To maximize the performance, minor impurities of the film incorporated from the ligand of the precursors were controlled by precursor selection. Thin, conformal, and smooth films were finally demonstrated onto a trench substrate.

Pursuing the development and implementation of novel synthesis techniques to produce nanostructures with an interesting set of properties is a goal that advances the frontiers of nanotechnology. Also of fundamental importance is to revisit well-established synthesis techniques employing a new set of materials as precursors, substrates and catalysts. Fundamental breakthroughs in the field of nanotechnology can be achieved by developing new synthesis procedures as well as by adapting known procedures to new materials. This thesis focuses on both kinds of experiments. A variant of chemical vapor deposition (CVD) has been used to produce Al5BO9 nanowires out of sapphire wafers without the need of a catalyst material. The novelty of the work relies on the formation mechanism of the Al5BO9 nanowires. Essentially, the process can be described as a large-scale topological transformation taking place on the substrate’s surface as its chemical composition changes due to the arrival of precursor molecules. Dense mats of Al5BO9 nanowires cover large areas of the substrate that were previously relatively flat. The process is enhanced by a high temperature and the presence of pre-existing superficial defects (cracks, terraces, etc.) on the substrates. Al5BO9 nanowires as well as B/BOX nanowires and BOX nanotubes were also produced via a novel in-situ electron beam-induced synthesis technique. The process was carried out at room temperature and inside a transmission electron microscope. Au nanoparticles were used as catalyst for the case of B/BOX nanowires and BOX nanotubes, while the Al5BO9 nanowires were synthesized without the need of a catalyst material. The formation and growth of the nanostructures is solely driven by the electron beam. The growth mechanism of the B/BOX nanowires and BOX nanotubes relies on interplay between electrostatic charging of the precursor material (to produce and transport feedstock material) and electron stimulated desorption of oxygen which is able to activate the catalytic properties of the Au nanoparticles. For the case Al5BO9 nanowires a nucleation process based on massive atomic rearrangement in the precursor is instigated by the e-beam, afterwards, the length of some of the nanowires can be extended by a mechanism analogous to that of the growth of the B/BOX nanowires.

La supraconductivité induite par effet de proximité dans du graphène CVD macroscopique décoré de nanoparticules d'étain (G/Sn) est le thème central de cette thèse. Dans ce manuscrit, deux projets expérimentaux sont présentés. Le premier de ces projets a consisté à développer et étudier un nouveau matériau manipulable et flexible au sein duquel les corrélations supraconductrices s'étendent à des échelles macroscopiques. Ce matériau est un film composite qui résulte de l'empilement de trois ingrédients originaux: un film fin de parylène d'une épaisseur de quelques micromètres, une monocouche de graphène de plusieurs centimètres carrés et un film discontinu métallique obtenu par démouillage naturel de l'étain en surface du graphène.Des mesures de transport à basses températures ont permis de mettre en évidence l'émergence d'un effet de supraconductivité induite à l'échelle macroscopique. Le courant critique de la transition supraconductrice des films composites a pu être contrôlé par une tension de grille avec une sensibilité de cent nanoampères par volt. Le comportement sous champ magnétique transverse des films composites est similaire à celui des supraconducteurs comportant des joints de grains et est caractérisé, en particulier sous faible champ magnétique, par une forte sensibilité de la transition supraconductrice. Une étude approfondie a enfin montré que le matériau hybride G/Sn est un système percolant bidimensionnel qui se comporte, à l'approche de la transition supraconductrice, comme une jonction unique de taille micrométrique.Dans le cadre du second projet, des cavités supraconductrices radiofréquences (RF) ont été développées. Des pistes G/Sn ont été intégrées à ces circuits supraconducteurs dans l'optique de créer des résonateurs dont la fréquence de résonance est contrôlable par une tension de grille. Un procédé d'intégration de pistes G/Sn conjointement à plusieurs cavités à partir d'un seul transfert (pleine plaque) de graphène a été mis au point. Des mesures en transmission dans des conditions cryogéniques ont été effectuées pour caractériser ces dispositifs hybrides et étudier leur comportement dans le domaine RF. / Superconducting proximity effect in macroscopic CVD-grown graphene decorated by tin nanoparticles is the central topic of this thesis. In this manuscript, two experimental projects are presented.The first of these projects consisted in developing and studying a new easy to handle and flexible material in which superconducting correlations extend over macroscopic scales. This material is a composite film made from the stacking of three original components: a few micrometers thin plastic film in parylene, a several centimeters squares layer of graphene, and a cluster of nanoparticles achieved by natural dewetting of tin on the graphene surface.Cryogenic transport measurements highlighted an induced superconductivity on the scale of the studied composite films pieces dimensions, of the order of the centimetre square. The superconducting critical current of the composite films showed gate tunability of about one hundred nanoamperes by volt. The behaviour of the composite films under a transverse magnetic field is similar to the one of granular superconductors and is characterised, especially under weak transverse magnetic field, by a high sensitivity of the superconducting transition. An in-depth study showed that the G/Sn hybrid material is a bidimensional percolating system that, when approaching the superconducting transition, behaves like a single mesoscopic Josephson junction.Within the framework of the second project, superconducting radiofrequency (RF) cavities have been developed. G/Sn patches have been integrated into these superconducting circuits in order to build gate tunable resonators. A process allowing to integrate G/Sn patches jointly to a series of several cavities from a single graphene transfer have been developed. Transmission measurements in cryogenic conditions have been performed to characterise these hybrid devices and to study their radiofrequency response.

CVD (Chemical Vapour Deposition) is an advanced technique for depositing a coating on a substrate. CVD implies that a solid phase is deposited on a normally heated substrate surface using a reactive, gaseous mixture. The reaction gas mixture must be carefully chosen to prevent homogeneous nucleation in the gas phase. As the solid phase is formed, gaseous by-products are formed and they must be removed from the CVD system. The thermally activated CVD process requires a deposition system which can regulate the total pressure and mass flows of the separate gas components as well as maintain a sufficiently high temperature to initiate a chemical reaction on the substrate surface. In this thesis a new CVD system was constructed to meet these challenges. Initially it will be used to deposit hard, wear resistant coatings but by changing the gases, it is possible to explore other chemical systems. The CVD system functions well up to a deposition temperature of 1100 ºC as long as the CVD processes are thermally activated. Apart from manual operation, a LabView control interface was implemented that can automate process steps by reading recipe files as csv (comma-separated variables). In this way complex coating architectures can be deposited. The aim of this thesis is to give a detailed description of the hardware set-up and of the software developed for it. Provided in this work are also a few examples of W and WN (tungsten nitride) coatings, including a multi-layered structure to show the potential of complex structures. Since the system also contains a titanium precursor, a TiN (titanium nitride) coating is presented to conceptually show the flexibility of the equipment. / CVD är en avancerad teknik för att lägga en tunn film runt ett substrat. CVD innebär att en fast fas bildas på den normalt uppvärmda substratytan från en reaktiv gasblandning. Gasblandningen är väl vald att inte förorsaka homogen kärnbildning i gasfasen. När den fasta fasen bildas så bildas också gasformiga biprodukter som måste pumpas ut ur systemet. Den termiskt aktiverade CVD processen kräver ett system som kan styra total trycket och massflödet av de individuella gaskomponenterna samt hålla en tillräcklig temperatur för att initiera kemiska reaktioner på substratytan. I denna avhandling presenteras ett CVD-system byggt för att möta dessa utmaningar. Initialt kommer systemet att deponera hårda, slittåliga skikt men genom gasbyte byte av gas kan andra materialsystem utforskas. CVD-systemet kan deponera andra typer av filmer upp till en deponeringstemperatur på 1100°C så länge som CVD-processerna är termiskt aktiverade. Utöver manuell styrning har ett styrprogram i LabView implementerats för att medge automatisering av processtegen genom att läsa av receptfiler i csv-format. På det här sättet kan mer komplicerade skiktarkitekturer deponeras. Målet med detta arbete är att ge en detaljerad beskrivning av uppställningen samt mjukvaran som framställts. Ett antal exempel på W- (volfram) och WN-skikt (volframnitrid) presenteras tillsammans med en multiskiktslösning för att visa potentialen för komplicerade strukturer. Eftersom systemet även har tillgång till en titankälla presenteras ett TiN-skikt (titannitrid) för att konceptuellt demonstrera utrustningens flexibilitet.

O objetivo deste trabalho foi estudar a ação sobre a dentina humana (in vitro) de vários tratamentos de superfície: Lixa, IADR-GM, CVDt e CVDi e de alguns adesivos dentais: Adper Sigle Bond 2 (SB), Clearfil SE Bond (CF) e Adper Prompt L-Pop (PL) avaliando: rugosidade e resistência adesiva por micro-cisalhamento. Foram utilizados 72 terceiros molares hígidos que foram divididos ao meio. As superfícies oclusais das 144 metades dentais foram removidas e padronizadas com Lixa #600. Após receberem os tratamentos de superfície citados, foi avaliada a rugosidade média superficial (Ra) da dentina. Em seguida realizou-se a hibridização e a confecção dos cilindros de resina composta (RC) para finalizar o preparo dos corpos de prova (cps). Após armazenagem de 24h em água destilada a 370C realizou-se o teste de micro-cisalhamento com velocidade de deslocamento de 1mm/min. Os resultados foram submetidos a testes de analise estatística (ANOVA) onde foi comprovado que a menor Ra foi encontrada nas superfícies instrumentadas com Lixa #600 seguida pelo CVDi, IADR-GM que apresentaram rugosidade intermediaria e se igualaram e pelo CVDt que produziram as superfícies mais rugosas. Já para o tratamento de superfície, o CVDi foi que apontou os piores valores de resistência de adesão que com Lixa e IADR-GM. Nos resultados para os adesivos, o PL apresentou valores de resistência à união inferiores ao SB e CF que se igualaram. Já para a interação entre os tratamentos de superfície e os adesivos não houve diferenças estatisticamente significantes entre os grupos tratados com Lixa #600, IADR-GM e CVDt e hibridizados com SB ou CF. Concluiu-se: que a Ra produzida em dentina pelo CVD variou de acordo com o tipo de movimento (CVDt produz maior rugosidade que o CVDi); que não foi possível estabelecer uma correlação entre Ra e valores de resistência adesiva; que o PL apresentou valores de resistência à adesão inferiores aos obtidos pelos adesivos SB e CF; que a interação dos tratamentos Lixa, IADR-GM e CVDt com os três adesivos (SB, CF, PL) mostrou valores mais altos para o SB e CF que se igualaram e menores para o PL; que o fator tratamento não produziu diferença de resistência adesiva para o adesivo CF e o mesmo ocorreu com o PL. / The aim of this in vitro study was to evaluate the micro-shear bond strength and the roughness to human dentin using different instrumentations (SiC #600, diamond rotary bur, CVDt and CVDi) and three dentin adhesive/composite resin systems: Adper Sigle Bond 2 (SB), Clearfil SE Bond (CF) e Adper Prompt L-Pop (PL). Seventy-two third molars were split in the middle. The oclusal third from the one hundred and forty and four halves were removed and standardized using the SiC #600. After the prepared surfaces, which were analyzed the roughness average (Ra) with a surface perfilometer and hybridization. The specimens were then stored in distillated water for 24 hours at 370C. The specimens were then were attached to a micro-shear apparatus and subjected to a micro-shear strength test at a crosshead speed of 1mm/min until failure occurred. The two-way ANOVA indicated that there was significant differences in average roughness between the instrumentations which SiC #600 was the smoothest surface. No differences were detected between dentin surface prepared with diamond bur and CVDi (intermediate in the roughness assessment) and the CVDt gave the roughest surface. The bond strengths varied slightly, though dentin instrumentations with CVDi showed the lowest values than the surfaces prepared with SiC #600 and diamond bur. The bond strengths varied slightly, though adhesives, PL showed lower micro-shear bond strength than SB and CF, which were no significant relevance. The interaction of SiC #600, diamond bur and CVDt using SB and CF showed no significant difference in micro-shear bond strength and higher than PL. The instrumentation showed no significant differences in micro-shear bond strength using CF and PL.

Les matériaux composites présentent un intérêt dans des secteurs de pointe tel que l’aéronautique du fait de leurs propriétés. Dans le cas des composites à matrice organique renforcés par des fibres longues, les propriétés dépendent non seulement du renfort et de la matrice mais également de l’interface fibre/matrice (F/M). Ce mémoire fait état de travaux menés pour incorporer des nanotubes de carbone (NTC) alignés directement sur des fibres de carbone (FC) tissées de manière sécurisée afin d’élaborer un composite à matrice thermodurcissable et thermoplastique et d’évaluer l’effet des NTC introduits à l’interface F/M sur les propriétés électriques et mécaniques des composites. Pour cela, le procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à partir d’aérosol mixte toluène/ferrocène a été développé pour la croissance de NTC alignés sur les FC, avec comme objectif la mise en place d’une procédure permettant d’éviter toute manipulation intermédiaire des produits. Il consiste à réaliser la synthèse de NTC en deux étapes successives qui sont le dépôt préalable d’une couche céramique de type SiO2 à la surface des fibres de carbone suivi de la croissance de NTC. Ce procédé a été ajusté pour permettre une croissance homogène de NTC alignés sur tissus de FC de taille suffisante pour permettre la préparation de matériaux composites. Les matériaux obtenus à l’issu de chacune des étapes ont été caractérisés en utilisant des techniques physico-chimiques complémentaires afin de comprendre le rôle de la sous-couche oxyde sur la croissance des NTC. Nous avons en particulier mis en évidence que cette dernière est modifiée lors de la croissance de NTC conduisant à la formation d’un oxyde mixte suite à l’incorporation de l’élément fer dans la sous-couche de type SiO2. Celle-ci joue alors le rôle de couche barrière de diffusion et permet une croissance de NTC alignés, denses et longs à la surface de substrats carbonés (carbone vitreux ou tissus de fibres de carbone). En outre, pour limiter les risques de dissémination de NTC dans l’atmosphère lors des manipulations des tissus de fibres recouverts de NTC pour l’élaboration des composites, nous avons réalisé une fonctionnalisation de surface des NTC afin d’encapsuler ces derniers sur le renfort fibreux. Enfin des mesures des propriétés mécaniques et électriques ont été réalisées sur les tissus présentant différents traitements et sur les matériaux composites incluant ces tissus. / Because of their properties, composite materials have attracted considerable interests in advanced technology such as in aeronautic field because of their properties. In the case of organic composite reinforced with long fibres, the properties depend not only on the reinforcements and the matrix but also on the interface between the fibre and the matrix (F/M). This thesis deals with the work led to integrate securely aligned carbon nanotubes (CNT) directly on carbon fibres (CF) in order to assess their effects on electrical and mechanical properties at the F/M interface in thermosetting and thermoplastic composite. To include aligned CNT directly on carbon substrates, the catalytic chemical vapour deposition synthesis method of CNT has been developed which consists in carrying out the synthesis in two steps in the same synthesis equipment avoiding intermediate handling. First, a deposition of oxide ceramic layer based on SiO2 is performed followed by the growth of CNT. The process has been adjusted in order to achieve a homogeneous growth of aligned CNT along the carbon fibre cloth compatible with industrial requirement for composite elaboration. Each material obtained from the different steps has been characterized with complementary physical and chemical analysis techniques in order to understand the ceramic sub-layer role on the growth of CNT. In particular, it has been pointed out that during the growth of CNT the sub-layer is modified by the incorporation of iron in the ceramic layer based SiO2, leading to the formation of mixed oxide which plays the role of diffusion barrier layer resulting in the growth of aligned, dense and long CNT on carbon substrates (glassy carbon, carbon fibre cloth). Besides, to avoid the dispersion of CNT in the atmosphere during the handling step for the elaboration of composite, a surface functionalization of CNT has been performed to encapsulate them. Finally, electrical and mechanical properties have been measured on carbon clothes exposed to different treatments and on composites reinforced with these clothes.

L'électronique transparente est actuellement limitée par la difficulté de construire une jonction p-n transparente, en raison du manque d'oxyde transparent conducteur (TCO) de type p réellement performant. L'oxyde cuivreux Cu2O est un TCO de type p prometteur, mais sa bande interdite relativement étroite pour un TCO (2,1 eV), limite sa transmittance dans le domaine visible. Dans le cadre de cette thèse, nous cherchons à augmenter cette valeur. Pour cela, nous explorons la méthode MOCVD comme technique de dépôt pour le dopage au strontium et au calcium de l’oxyde cuivreux. Ce dopage est supposé élargir la bande interdite du Cu2O d'après des calculs ab initio effectués à l'institut Tyndall, à Cork. Dans le chapitre I, nous présentons le contexte de cette thèse. Après avoir expliqué les conditions que doit remplir un matériau pour être un TCO de type p, nous présentons l'état de l'art concernant le Cu2O. Dans le chapitre II, nous présentons l'ensemble des techniques utilisées dans le cadre de cette thèse, de l'élaboration (MOCVD, recuits thermiques) à la caractérisation (MEB, MET, AFM, DRX, spectroscopie FTIR, spectroscopie Raman, XPS, spectroscopie UV-vis-NIR, mesures 4 pointes et mesures d'effet Hall). Au cours du chapitre III, l'influence des paramètres de la MOCVD sur la composition et la morphologie a été analysée pour l’élaboration de couches de Cu2O pures, non dopées en vue d'établir les conditions optimales de dépôt. Nous obtenons des couches continues sur substrat de Si/SiO2, alors qu'elles sont systématiquement hétérogènes avec des zones sans dépôt sur silicium. En outre, nous mettons en évidence le risque d'obtenir la phase cuivre métallique lorsque la concentration de précurseur est élevée, la pression partielle d'oxygène faible et/ou la température élevée. Partant de ces conditions optimales, nous étudions dans le chapitre IV l'influence du dopage au strontium sur les propriétés fonctionnelles des couches (résistivité, largeur de bande interdite et transmittance dans le visible). Une chute de la résistivité a été observée lors du dopage au strontium. Les couches non dopées ont des résistivités de l'ordre de 103 Ω.cm ou plus, contre 10 Ω.cm pour les couches contenant entre 6 et 15% de strontium. La conductivité est bien de type p avec une mobilité de l’ordre de 10 cm2.V-1.s-1 et une densité de porteur de quelques 1016 cm-3. L’écart très grand entre cette densité de porteur et la teneur globale en Sr est lié à la présence d’une contamination des couches par du carbonate et du fluorure de strontium mis en évidence par FTIR et XPS. L’influence réelle de ces impuretés n’a pu être déterminée. Enfin il n'a pas été constaté de variation significative des propriétés optiques, la bande interdite restant large d'environ 2,4 eV et la transmittance moyenne entre 500 et 1000 nm de l'ordre de 55%. Des tendances similaires sont observées dans le chapitre V qui aborde le dopage au calcium, avec comme particularité le fait pour un fort taux de dopage et sous assistance UV, d'aboutir à la présence d'espaces vides localisés à l'interface substrat/Cu2O qui pourrait être lié à la décomposition du carbonate de calcium. Finalement, nous procédons à des recuits thermiques des couches, dopées ou non, dans le chapitre VI. Pour les couches non dopées, cela permet de diminuer la résistivité jusqu’à des valeurs de 10-100 Ω.cm. Pour les couches dopées, cela permet aux couches ayant une résistivité initiale de 10 Ω.cm de descendre jusqu'à 1 Ω.cm. Au cours de cette thèse, nous avons établi les effets du dopage au Sr ou Ca qui conduisent à une forte chute de résistivité sans impact sur les propriétés optiques à la différence des résultats prévus par les calculs ab initio. Nous sommes ainsi parvenus à améliorer les propriétés des couches Cu2O transparentes de type p. / Transparent electronic is currently limited by the lack of a really performant p-type transparent conducting oxide (TCO), which makes the elaboration of a transparent p-n junction challenging. Cuprous oxide Cu2O is a promising p-type TCO, but its optical transmittance in the visible spectrum is limited by its relatively low band gap (2.1 eV). In this thesis, we aim at increasing this value. To achieve that, we explore MOCVD as the growth method for strontium and calcium doping of cuprous oxide. According to ab-initio calculations performed at Tyndall Institute in Cork, doping with these elements is supposed to increase the band gap of Cu2O. In chapter I, we introduce the context of this thesis. After explaining the required conditions that a material must fulfil to be a p-type TCO, we present the state of the art of Cu2O. In chapter II, we present all the techniques used in this work, from the elaboration (MOCVD, thermal annealing) to characterization (SEM, TEM, AFM, XRD, FTIR, Raman spectroscopy, XPS, UV-vis-NIR spectroscopy, 4 point probe and Hall effect measurement). In chapter III, our objective is to synthesize pure, undoped Cu2O thin films. We explore the influence of the MOCVD parameters on the films composition and morphology. We get homogenous films on Si/SiO2 substrates, while we get heterogeneous films with un-deposited parts on silicon substrate. In addition, we show the risk to get the metallic copper phase when precursor concentration is high, oxygen partial pressure is low, and/or temperature is high. This enables us to determine the optimal deposition conditions. Starting from those optimal conditions, we study the influence of strontium doping on the functional properties of the films (resistivity, band gap and visible light transmittance) in chapter IV. A decrease of resistivity was observed with strontium doping. While undoped films show resistivity values of 103 Ω.cm or more, films doped from 6 to 15% strontium show resistivity values of about 10 Ω.cm. P-type conductivity was confirmed through Hall effect measurements, with a mobility close to 10 cm2.V-1.s-1 and a charge carrier density of about 1016 cm-3. The large difference between this carrier density and the Sr concentration can be linked with the presence of a strontium carbonate and fluoride contamination that was detected by FTIR and XPS. The exact influence of those impurities is not well known. In addition, no significant variation of optical properties was observed, the band gap remained close to 2.4 eV and average transmittance in the 500-1000 nm range was about 55%. Similar tendencies were observed for calcium doping, addressed in chapter V. Calcium doping showed the particularity of leading to the presence of cavities localized at the substrate/Cu2O interface, for a high dopant concentration and under UV assistance. Eventually, we performed thermal annealing on some samples, doped and undoped, in chapter VI. For undoped samples, it allowed to decrease resistivity in the 10-100 Ω.cm range. For doped samples, it allows samples showing initial resistivity of about 10 Ω.cm to decrease it to 1 Ω.cm. No impact of thermal annealing on sample morphology or composition was observed. In this thesis, we successfully established the effects of Sr or Ca doping, which lead to a significant decrease of the resistivity without impact on the optical properties, unlike what was predicted by the ab initio calculations. We were thus able to improve the p-type transparent Cu2O thin films properties.

Les dispositifs optoélectroniques à base de matériaux organiques nécessitent la réalisation de couches barrière de perméation car l'oxygène et l'humidité dégradent fortement ces dispositifs. Afin d'augmenter leur durée de vie et ainsi les rendre commercialement attractifs, des couches d'encapsulation sont nécessaires, ceci représente un défi majeur surtout dans le cadre des substrats flexibles comme les plastiques. Des faibles valeurs du taux de perméation sont exigées, typiquement de l'ordre de 10-5 g/m2.jour dans le cadre de l'eau. Deux voies ont été étudiées, dans le cadre de cette thèse, pour atteindre cet objectif: d'une part en fabriquant des barrières multicouches à base de nitrure de silicium amorphe, chaque couche étant séparée de la suivante par un traitement plasma d'argon, d'autre part en fabriquant des barrières hybrides alternant des couches inorganiques avec des couches organiques. Nous avons choisi la technique de dépôt chimique en phase vapeur par filament chaud (HW-CVD) pour le dépôt des couches inorganiques et nos efforts ont porté sur l'étude approfondie des paramètres contrôlant le plasma. Il ressort que l'énergie des ions impactant la surface a été le paramètre déterminant. Diverses techniques d'analyse ont été nécessaires pour évaluer précisément la qualité des couches constituant les barrières de perméation. Une interprétation physique du procédé plasma a été proposée, basée sur le réarrangement atomique induit à chaque interface par les ions de faible énergie (< 40 eV). Pour chacune des voies choisies, des très faibles taux de perméation (4 à 7 × 10-5 g/m2.jour) ont été atteints. Avec la combinaison de ces deux méthodes d'encapsulation, nous avons atteint une valeur de WVTR extrêmement faible (6 × 10-6 g/m2.jour), ce qui semble suffisant pour l'utilisation dans des dispositifs organiques.

Du fait de leurs excellentes propriétés mécaniques et de leurs faibles masses spécifiques, l’utilisation des matériaux composites, au sein des structures mécaniques, est en plein essor. Cependant, leur usinage entraine une usure prématurée et aléatoire des outils de coupes en cermet WC-Co. L’origine de cette étude provient de la nécessité de protéger leur surface par un revêtement dur et résistant comme, par exemple, le diamant NCD. Toutefois, le cobalt présent dans le carbure cémenté favorise la formation de graphite au niveau de l’interface avec le film de diamant, ce qui nuit à son adhérence. La méthode retenue afin d’isoler ce métal de la surface a été de réaliser des systèmes interfaciaux multicouches. Ces derniers sont composés d’une barrière de diffusion au cobalt en nitrure de tantale et/ou en nitrure de zirconium et d’une couche favorisant la germination du diamant en acier inoxydable ou en molybdène. Les protocoles de dépôt élaborés au cours de ce travail ont la particularité d’utiliser une polarisation négative et séquencée du substrat durant l’étape de croissance. Cela induit une morphologie originale au revêtement de diamant breveté sous le nom de PyrNCD (Brevet N° :FR0807181). Les objectifs de cette étude sont la compréhension de l’ensemble des mécanismes (influence de la solubilité du carbone sur la germination du diamant, l’effet de la polarisation sur le substrat revêtu et sur la croissance du diamant,…) intervenant durant le dépôt de diamant et l’optimisation du procédé. / The combination of good mechanical properties and low specific mass ensures the increasing use of composite materials to reduce the weight of mechanical structures. However, their machining induces premature and random wear of WC-Co cermet cutting-tools. The origin of this study comes from the necessity to protect cutting-tools surfaces by hard and resistant coatings like NCD diamond. Unfortunately, the cobalt found in these cemented carbides catalyses graphite formation at the interface with the diamond layer and harms the grip of the diamond film. The method used to isolate this metal from the surface has been to form interfacial multilayer systems. These are composed of a tantalum nitride and/or zirconium nitride diffusion barrier for cobalt and a layer promoting the diamond nucleation in molybdenum or stainless steel. The deposit protocols developed during this PhD work have the particularity of using a negative and sequenced substrate bias during the growth stage. This leads to an original morphology of the diamond coating which is patented under the name PyrNCD (International Patent N°: WO/2010/076423). The goal of this study is to understand all the mechanisms (like the impact of the carbon solubility on the diamond nucleation, the effects of negative bias on the coated substrate and the diamond growth,...) occurring during diamond deposition and process optimization.

L'électronique transparente est actuellement limitée par la difficulté de construire une jonction p-n transparente, en raison du manque d'oxyde transparent conducteur (TCO) de type p réellement performant. L'oxyde cuivreux Cu2O est un TCO de type p prometteur, mais sa bande interdite relativement étroite pour un TCO (2,1 eV), limite sa transmittance dans le domaine visible. Dans le cadre de cette thèse, nous cherchons à augmenter cette valeur. Pour cela, nous explorons la méthode MOCVD comme technique de dépôt pour le dopage au strontium et au calcium de l’oxyde cuivreux. Ce dopage est supposé élargir la bande interdite du Cu2O d'après des calculs ab initio effectués à l'institut Tyndall, à Cork. Dans le chapitre I, nous présentons le contexte de cette thèse. Après avoir expliqué les conditions que doit remplir un matériau pour être un TCO de type p, nous présentons l'état de l'art concernant le Cu2O. Dans le chapitre II, nous présentons l'ensemble des techniques utilisées dans le cadre de cette thèse, de l'élaboration (MOCVD, recuits thermiques) à la caractérisation (MEB, MET, AFM, DRX, spectroscopie FTIR, spectroscopie Raman, XPS, spectroscopie UV-vis-NIR, mesures 4 pointes et mesures d'effet Hall). Au cours du chapitre III, l'influence des paramètres de la MOCVD sur la composition et la morphologie a été analysée pour l’élaboration de couches de Cu2O pures, non dopées en vue d'établir les conditions optimales de dépôt. Nous obtenons des couches continues sur substrat de Si/SiO2, alors qu'elles sont systématiquement hétérogènes avec des zones sans dépôt sur silicium. En outre, nous mettons en évidence le risque d'obtenir la phase cuivre métallique lorsque la concentration de précurseur est élevée, la pression partielle d'oxygène faible et/ou la température élevée. Partant de ces conditions optimales, nous étudions dans le chapitre IV l'influence du dopage au strontium sur les propriétés fonctionnelles des couches (résistivité, largeur de bande interdite et transmittance dans le visible). Une chute de la résistivité a été observée lors du dopage au strontium. Les couches non dopées ont des résistivités de l'ordre de 103 Ω.cm ou plus, contre 10 Ω.cm pour les couches contenant entre 6 et 15% de strontium. La conductivité est bien de type p avec une mobilité de l’ordre de 10 cm2.V-1.s-1 et une densité de porteur de quelques 1016 cm-3. L’écart très grand entre cette densité de porteur et la teneur globale en Sr est lié à la présence d’une contamination des couches par du carbonate et du fluorure de strontium mis en évidence par FTIR et XPS. L’influence réelle de ces impuretés n’a pu être déterminée. Enfin il n'a pas été constaté de variation significative des propriétés optiques, la bande interdite restant large d'environ 2,4 eV et la transmittance moyenne entre 500 et 1000 nm de l'ordre de 55%. Des tendances similaires sont observées dans le chapitre V qui aborde le dopage au calcium, avec comme particularité le fait pour un fort taux de dopage et sous assistance UV, d'aboutir à la présence d'espaces vides localisés à l'interface substrat/Cu2O qui pourrait être lié à la décomposition du carbonate de calcium. Finalement, nous procédons à des recuits thermiques des couches, dopées ou non, dans le chapitre VI. Pour les couches non dopées, cela permet de diminuer la résistivité jusqu’à des valeurs de 10-100 Ω.cm. Pour les couches dopées, cela permet aux couches ayant une résistivité initiale de 10 Ω.cm de descendre jusqu'à 1 Ω.cm. Au cours de cette thèse, nous avons établi les effets du dopage au Sr ou Ca qui conduisent à une forte chute de résistivité sans impact sur les propriétés optiques à la différence des résultats prévus par les calculs ab initio. Nous sommes ainsi parvenus à améliorer les propriétés des couches Cu2O transparentes de type p. / Transparent electronic is currently limited by the lack of a really performant p-type transparent conducting oxide (TCO), which makes the elaboration of a transparent p-n junction challenging. Cuprous oxide Cu2O is a promising p-type TCO, but its optical transmittance in the visible spectrum is limited by its relatively low band gap (2.1 eV). In this thesis, we aim at increasing this value. To achieve that, we explore MOCVD as the growth method for strontium and calcium doping of cuprous oxide. According to ab-initio calculations performed at Tyndall Institute in Cork, doping with these elements is supposed to increase the band gap of Cu2O. In chapter I, we introduce the context of this thesis. After explaining the required conditions that a material must fulfil to be a p-type TCO, we present the state of the art of Cu2O. In chapter II, we present all the techniques used in this work, from the elaboration (MOCVD, thermal annealing) to characterization (SEM, TEM, AFM, XRD, FTIR, Raman spectroscopy, XPS, UV-vis-NIR spectroscopy, 4 point probe and Hall effect measurement). In chapter III, our objective is to synthesize pure, undoped Cu2O thin films. We explore the influence of the MOCVD parameters on the films composition and morphology. We get homogenous films on Si/SiO2 substrates, while we get heterogeneous films with un-deposited parts on silicon substrate. In addition, we show the risk to get the metallic copper phase when precursor concentration is high, oxygen partial pressure is low, and/or temperature is high. This enables us to determine the optimal deposition conditions. Starting from those optimal conditions, we study the influence of strontium doping on the functional properties of the films (resistivity, band gap and visible light transmittance) in chapter IV. A decrease of resistivity was observed with strontium doping. While undoped films show resistivity values of 103 Ω.cm or more, films doped from 6 to 15% strontium show resistivity values of about 10 Ω.cm. P-type conductivity was confirmed through Hall effect measurements, with a mobility close to 10 cm2.V-1.s-1 and a charge carrier density of about 1016 cm-3. The large difference between this carrier density and the Sr concentration can be linked with the presence of a strontium carbonate and fluoride contamination that was detected by FTIR and XPS. The exact influence of those impurities is not well known. In addition, no significant variation of optical properties was observed, the band gap remained close to 2.4 eV and average transmittance in the 500-1000 nm range was about 55%. Similar tendencies were observed for calcium doping, addressed in chapter V. Calcium doping showed the particularity of leading to the presence of cavities localized at the substrate/Cu2O interface, for a high dopant concentration and under UV assistance. Eventually, we performed thermal annealing on some samples, doped and undoped, in chapter VI. For undoped samples, it allowed to decrease resistivity in the 10-100 Ω.cm range. For doped samples, it allows samples showing initial resistivity of about 10 Ω.cm to decrease it to 1 Ω.cm. No impact of thermal annealing on sample morphology or composition was observed. In this thesis, we successfully established the effects of Sr or Ca doping, which lead to a significant decrease of the resistivity without impact on the optical properties, unlike what was predicted by the ab initio calculations. We were thus able to improve the p-type transparent Cu2O thin films properties.