Les microgénérateurs thermoélectriques planaires sont de nouvelles sources d'énergie pour l'électronique portable. Nous avons optimisé leur géométrie à l'aide d'un modèle analytique et numérique. La fabrication d'un générateur utilisant comme matériau actif du silicium est également présentée. L'accès à la conductivité thermique est essentiel pour l'ingénierie des matériaux thermoélectriques utilisés dans ces microsystèmes. Le potentiel des méthodes 3omega et Völklein à mesurer cette grandeur sur des couches minces est étudié expérimentalement et par simulations numériques. Le transfert de chaleur entre les microsystèmes et leur environement est étudié par la méthode Völklein. Le facteur de mérite de couches de silicium polycristallin bien qu'améliorés par un facteur trois en diminuant la taille de grains reste faible. Les propriétés électriques de multicouches à base de PbTe ouvrent des perspectives intéressantes pour leur intégration dans les microsystèmes.

De nos jours, les demandes technologiques en terme de miniaturisation de composants telles que les capteurs, les dispositifs pour l'électronique et l'optique stimulent de plus en plus l'activité scientifique des laboratoires à l'échelle mondiale. A cet effet, les matériaux moléculaires bistables semblent prometteurs dans la perspective de telles applications. L'adressage et la détection de la bistabilité dans ces matériaux à l'échelle nanométrique est une étape incontournable dans la conception de tels dispositifs. Dans ce contexte, ce travail de thèse présente une approche originale, non seulement pour l'adressage des matériaux moléculaires bistables par voie électrique, mais aussi pour la lecture de l'information stockée dans les matériaux moléculaires bistables à l'échelle nanométrique par voie électrique ou optique. A cet effet, nous avons étudié les propriétés de transport des complexes de coordination (RbxMn[Fe(CN)6]y*zH2O, NaxCo[Fe(CN)6]y*zH2O, Co3[W(CN)8]2(pyrimidine)4*6H2O et {Fe(HB(pz)3)2}) et nous avons pu mettre en évidence une commutation entre leurs deux états bistables par l'application d'un champs électrique. Nous avons également étudié théoriquement et expérimentalement la possibilité de détecter cette commutation dans des couches minces à l'aide de la résonance des plasmons de surface. Nous montrons que cette technique peut détecter des variations d'indice optique associées à la bistabilité même pour des couches ultra-minces (<10 nm). Ces résultats ouvrent de sérieuses perspectives pour l'intégration des complexes à transition de spin ou à transfert de charge dans des nano-circuits électriques et dans des dispositifs photoniques dont l'objectif est leurs possibles applications comme mémoire, capteurs ou dispositifs optiques adressables.

Ce mémoire de thèse présente le développement d'un dispositif expérimental spécialement conçu pour l'étude de la diffraction d'atomes rapides et son utilisation pour suivre la croissance de couches minces sur un bâti d'épitaxie. Des études de surfaces de KBr(100) et de NaCl(100) avec ce nouveau dispositif sont présentées. Nous nous sommes intéressés notamment à la forme du potentiel que les atomes perçoivent lorsqu'ils diffusent sur une surface de KBr(100). Nous avons également mis en évidence lors de ces études un nouveau régime de diffraction qui semble correspondre à des mouvements longitudinaux et normaux cohérents. Grâce à des images mieux résolues, nous avons montré comment la diffraction d'atomes rapides permet d'observer et quantifier des défauts topologiques comme la mosaïcité. Une étude d'une surface d'Argent (110) est aussi présentée. Elle a permis d'observer la diffraction d'atomes rapides sur les métaux, montrant ainsi que GIFAD est applicable aux trois types de matériaux (isolants, semi-conducteurs et métaux) et que les processus d'excitations électroniques sur ces surfaces ne détruisent pas complètement la cohérence. Enfin des premiers résultats de GIFAD en tant que technique de suivi de croissance par épitaxie sont présentés dans ce travail.

Les films de ZrO2 pur sont déposés par MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) en variant de nombreux paramètres du processus. L'influence des conditions de dépôt sur l'évolution de la microstructure (morphologies, structure cristalline/phase, texture et contrainte résiduelle) a été étudiée et clarifiée. Par des analyses approfondies des résultats expérimentaux, trois mécanismes typiques de croissance de dépôt de ZrO2 ont été proposées. Les contraintes de croissance de compression sont en relation directe avec la diffusion atomique et la quantité d'espèces piégées dans les films. La formation de la texture cristallographique est complexe et deux types de textures ont été analysées dans la phase tétragonale : la texture de fibre {1 1 0}t est contribuée par l'effet superplastique des nano-cristallites de ZrO2 et par la contrainte de croissance de compression ; tandis que la morphologie en facette est due à la croissance concurrentielle de différents plans cristallographiques. La stabilisation de la phase tétragonale de ZrO2 a été analysée et discutée. En plus de la taille critique des cristallites, la stabilisation de la phase tétragonale est favorisée par deux autres mécanismes : la grande quantité des défauts cristallins et la morphologie des cristallites.

Ce travail concerne l'épitaxie par jets moléculaires de films de BiSrCaCuO. On y présente un dispositif de pilotage de la croissance grâce à la diffraction d'électrons rapides RHEED, comprenant également des logiciels d'analyse permettant de corréler l'évolution du diagramme RHEED, avec les propriétés physiques (composition, structure et morphologie, transport ...). Cette analyse, appliquée au cas de films appauvris en Bi, permet de les décrire comme une nanostructure d'intercroissance, en partie ordonnée suivant un modèle " mur de briques " où deux types de nanophases alternent en quinconce : Bi-2212 et Bi-2PRQ d'épaisseur double. Selon la composition moyenne des films, trois familles de nanophases 2PRQ sont identifiées, qui correspondent à des modèles structuraux spécifiques : stoechiométriques Bi-2267, riches en Sr Bi-2446, riches en Cu Bi-2429 comportant des plans Cu2O3 de type échelles. Les conditions physiques pour la synthèse de chaque famille nanostructurée sont décrites.

Ce manuscrit décrit mes activités de recherche menées au sein de l'Institut Fresnel de 2002 à 2011.

Il existe une demande de plus en plus importante pour des sources laser bon marché émettant dans le moyen infrarouge (MIR) à température ambiante pour différentes applications incluant la détection des constituants atmosphériques, la communication optique et le domaine de la médecine. De part ses propriétés optiques et structurales, le Cr2+: ZnSe est devenu le candidat idéal pour une émission largement accordable dans la région 2-3 µm. <br />Dans l'objectif de développer un laser compact pompé électriquement, des films minces de Cr2+:ZnSe ont été élaborés à température ambiante par pulvérisation magnétron radiofréquence d'une cible de SiO2 recouverte de morceaux de ZnSe et de chrome sous plasma d'argon pur, sur des substrats de verre, Si et GaAs. <br />Quelque soit le substrat, les films déposés sont constitués de ZnSe cubique quasi-stoechiométrique et présentent une structure colonnaire avec une forte orientation préférentielle dans la direction 111. Le recours à l'analyse combinée par diffraction X a permis de résoudre simultanément la texture, la structure et la microstructure d'un des films déposés. Le spectre de PL des films à température ambiante dans le domaine 2-3 µm, comparable à celui des cristaux de référence de Cr2+ :ZnSe, a été obtenu d'une part par excitation directe des ions Cr2+ (1.85 µm) et d'autre part par excitation indirecte en utilisant un laser visible. Les paramètres de dépôt (puissance radiofréquence, pression d'argon, quantité de chrome) ont été optimisés pour obtenir des films présentant une intensité de PL maximum dans le MIR.

Le rendement de conversion photoélectrique des cellules photovoltaïques organiques est encore trop faible pour envisager leur production à l'échelle industrielle. La solution proposée dans le cadre de ce travail est l'amélioration du rendement d'absorption des photons dans les couches photoactives. La première partie de ce travail à concerné le développement d'un logiciel de modélisation et d'optimisation des cellules photovoltaïques organiques. Basé sur le calcul de la répartition du champ électromagnétique dans l'épaisseur de la cellule, cet outil permet d'optimiser l'ensemble des épaisseurs des couches d'une cellule classique (bicouche ou mélange) ou des cellules plus complexes (cellules tandem).<br />Puis nous avons relié les propriétés optiques des cellules organiques à leurs propriétés électriques en calculant les densités de courant de court circuit. La validation de nos modélisations a ensuite été réalisée par comparaison avec les résultats expérimentaux sur des cellules composées d'hétérojonctions bicouches ou de volume et pour différents couples donneur-accepteur (P3HT:PCBM, CuPc/C60 ou pentacène:pérylène). Dans la dernière partie de ce travail nous avons abordé l'étude de l'exaltation locale du champ électromagnétique via des effets de plasmons de surface. Pour cela, nous avons modélisé, réalisé et caractérisé des empilements de couches organiques, contenant des nanoparticules métalliques (or et argent), dans le but d'exalter localement le champ électromagnétique.

Les films à base de Si, C et N présentent des propriétés mécaniques, optiques et électroniques intéressantes qui en font des matériaux prometteurs, notamment pour des applications optoélectroniques. L'objectif de ce travail est de mettre au point le procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde permettant l'élaboration, à partir d'hexaméthyldisilazane (HMDSN), de films minces de SiCN dont l'indice de réfraction et le gap peuvent être modulés en modifiant des paramètres expérimentaux. Un mélange à base de N2/Ar/HMDSN permet le dépôt de films durs, adhérents et transparents. Ceux-ci sont de type SiNx:H avec une faible teneur en carbone (< 20%). L'influence de différents paramètres expérimentaux sur les couches minces élaborées dans ce mélange a été évaluée. Une augmentation de la température du porte substrat entraîne une réduction de l'épaisseur déposée, une diminution de la densité de groupements NH ainsi qu'une meilleure réticulation des films. Ceux-ci tendent alors vers un nitrure de silicium stoechiométrique et les indices des films augmentent de 1.6 à 1.8. L'ajout de CH4 dans le mélange plasmagène ne modifie pas de façon très importante la composition des films mais change fortement leur structure. Un mélange N2/CH4/Ar/HMDSN avec 6 % de CH4 permet ainsi d'obtenir des films denses et une rugosité réduite. L'incorporation de C n'est cependant que peu améliorée et les caractéristiques optiques restent voisines de celles de Si3N4. L'utilisation d'un mélange H2/Ar/HMDSN à la place du mélange N2/Ar/HMDSN aboutit à des films de type SiCx:H avec une teneur en N inférieure à 15 %. Les films ont alors un indice plus élevé (2.15) et un gap modéré (3.5 eV). L'ajout d'une petite quantité de N2 (< 5 %) dans le mélange change radicalement la composition du film. Le taux de C baisse fortement alors que celui de N augmente dans les mêmes proportions. Les films sont alors de type SiNx:H avec un indice de l'ordre de 1.95 et un gap de 4.5 eV. L'indice et le gap peuvent alors être liés au taux de liaisons Si-C dans le film. Ce changement abrupt est probablement dû à deux effets combinés. D'une part, le carbone en phase gazeuse réagit avec l'azote pour former des espèces stables (CN, HCN) qui participent peu à la croissance. D'autre part, Si se lie préférentiellement avec N pour former des films de type SiNx:H. Une modulation des constantes optiques des films de SiCN via le taux de C peut ainsi être réalisée par l'ajout de très faibles quantités de N2 dans le mélange gazeux H2/Ar/HMDSN.

Les titano-zirconate de plomb PbZrTiO3 (PZT) de structure pérovskite sont largement utilisés dans l'industrie de l'électronique en raison de leurs excellentes propriétés diélectriques et électromécaniques. Le contexte actuel de l'innovation technologique est la miniaturisation et l'allègement des produits tout en en garantissant une fiabilité accrue. Aujourd'hui, nous sommes dans l'ère de la nanotechnologie et à cette échelle les effets d'interface Electrode/Ferroélectrique sur les propriétés des structures appelées classiquement MIM (Métal/Isolant/Métal) deviennent substantiels. L'objectif de cette thèse est d'étudier ces effets sur les propriétés des couches minces de PZT déposées par pulvérisation cathodique rf magnétron. L'étude est basée sur la modélisation de la structure MIM comme des capacités en série : la capacité ferroélectrique et celles des interfaces non ferroélectriques. Les investigations expérimentales ont montré que les effets d'épaisseur sont causés par les effets d'interface qui sont la manifestation de la capacité d'interface chargée par un potentiel interne. La nature [oxyde (LaNiO3) ou métal (Pt)] de l'électrode supérieure a une influence significative en termes d'effets d'épaisseur (sur les grandeurs εr, Ec, d33eff) tandis que celle inférieure conditionne principalement la microstructure de la couche de PZT. Le LNO (un oxyde pérovskite) se révèle un matériau prometteur pour limiter les effets d'interface. La fatigue ferroélectrique qui s'est avérée en corrélation avec les effets d'épaisseur est une conséquence de la dégradation de l'interface. La structure LNO/PZT/LNO a une bonne endurance à la fatigue et est moins encline aux effets d'épaisseur. Une modélisation de la fatigue a été proposée à partir des données expérimentales. L'ultime étape de cette thèse a mis en exergue l'effet de la nature du substrat sur le mode de croissance et les propriétés électriques des films de PZT.