Les matériaux piézoélectriques et ferroélectriques présentent un comportementélectromécanique couplé. Cette particularité leur a permis d’être utilisés dans de nombreusesapplications telles que les applications de capteur, actionneur, transformateur et récupérateurd’énergie. En outre, en raison de leur comportement non linéaire et dissipatif, les matériauxferroélectriques sont de plus en plus utilisés dans le domaine de l’électronique en tant quecapacité accordable, mémoire non volatile, oscillateur et filtre. La performance et la fiabilitéde ces systèmes dépendent directement des propriétés ferroélectriques et piézoélectriques dumatériau, qui nécessite par conséquent d’être caractérisé. Les propriétés piézoélectriques,ferroélectriques, ferroélastiques et diélectriques des matériaux ferroélectriques ont été le sujetde nombreuses études. Pourtant, les conditions d’essai restent difficiles à maîtriser car lespropriétés thermiques, mécaniques et électriques de ces matériaux sont fortement couplées.Dans cette thèse, un dispositif de mesure de champ de déformation a été conçu pourcaractériser le comportement piézoélectrique et ferroélectrique des céramiquesferroélectriques. Ce dispositif utilise un banc optique ainsi qu’un algorithme de Corrélationd’Images Numériques (CIN) 2D appelé CorreliRT3. Cet algorithme est basé sur une approcheglobale et réduit les erreurs de mesure de déplacement en s’appuyant sur les équationsd’équilibre de la mécanique des solides. Grâce au banc de caractérisation par CIN, il estmontré que les déformations piézoélectriques et ferroélectriques peuvent être mesurées avecune incertitude d’environ 10-5. Cette incertitude est atteinte aussi bien pour des sollicitationssimples que couplées (champ électrique et/ou contrainte mécanique). Il est aussi montré quele banc expérimental permet de vérifier les conditions d’essai en caractérisant l’hétérogénéitédes déformations lors d’un essai matériau.Dans les deux derniers chapitres, un matériau ferroélectrique est caractérisé souschamp électrique et sous contrainte mécanique. Le comportement du matériau est présenté etdiscuté dans les différentes configurations de chargement. Les propriétés matériau, telles queles coefficients piézoélectriques (d33, d31), sont extraites et étudiées en fonction du champélectrique et de la contrainte. Les résultats montrent que la CIN est capable de mesurer etcaractériser le comportement et les propriétés des matériaux ferroélectriques etpiézoélectriques. L’avantage de la CIN étant que, contrairement aux méthodes de mesureclassiques, celle-ci ne perturbe pas les conditions d’essai (mesure sans contact) et permette dedétecter la présence d’erreurs systématiques. / Piezoelectric and ferroelectric materials exhibit a coupled electromechanicalbehaviour. This property allows a use in various kinds of applications such as sensors,actuators, harvesting devices or converters. In addition, due to their non-linear and dissipativebehaviour, ferroelectric materials are increasingly used in electronic applications such astunable capacitors, non-volatile memory, oscillators and filters. The performance andreliability of such devices depend on the material electromechanical properties, whichconsequently need to be characterised. In the past decades, such characterisation was largelydeveloped and the piezoelectric, ferroelectric, ferroelastic and dielectric properties offerroelectrics were the subject of numerous studies. Yet the test conditions are difficult tocontrol due to the strong interplay between thermal, mechanical and dielectric properties.In this work, a full-field measurement apparatus has been designed to characterise thepiezoelectric and ferroelectric strain behaviour of ferroelectric ceramics. This apparatus usesan optical setup and a 2D Digital Image Correlation (DIC) algorithm named CorreliRT3. Thealgorithm is based on a global approach and reduces the displacement field errors using thebalance equations of solid mechanics. It is shown that piezoelectric and ferroelectric strainscan be measured with an uncertainty around 10-5 by using the developed setup. Thisuncertainty is reached under uncoupled or coupled loading (electric field and/or stress). It isalso shown that the experimental setup can control the test conditions by characterising thestrain heterogeneity during the test.In the two last chapters, a ferroelectric material is characterised under electric field andstress. The material behaviour is presented and discussed in the different loadingconfigurations. Material properties, such as the longitudinal and transverse piezoelectriccoefficients (d33, d31) are extracted and analysed as a function of the electric field and stress.The results show that the DIC technique is able to measure and characterise the behaviour andthe properties of ferroelectric and piezoelectric materials. The main benefits of this techniqueis that, contrary to classical measurement techniques, the measurement does not alter the testconditions. Moreover, DIC is able to detect test anomalies such as strain heterogeneities

Dans les applications de l’électronique de puissance, les inductances sont généralement utilisées avec des formes d’ondes triangulaire et rectangulaire. Dans ces conditions, les inductances ne peuvent pas être caractérisées avec des formes d’ondes sinusoïdales. Il existe dans la littérature plusieurs méthodes de caractérisation des inductances. Aucune de ces méthodes ne permet de caractériser les composants magnétiques intégrés dans des conditions compatibles avec les formes d’onde de l’électronique de puissance. Une nouvelle méthode de caractérisation en temps réel convenable aux composants magnétiques planaires intégrées est développée dans cette thèse. Le composant sous test est utilisé dans un convertisseur DC-DC. A partir du courant i(t) et de la tension u(t) relevés à ses bornes, il est possible de déterminer la caractéristique φ(i) du composant. Connaissant le cycle d’hystérésis φ(i), les principaux paramètres du composant tels que la valeur de l’inductance, le niveau de saturation du matériau magnétique, les pertes fer peuvent être déterminées. Il convient de préciser qu’après l’enregistrement de u(t) et de i(t), un traitement des données approprié est effectué pour obtenir des signaux exploitables. L’approche a été testée avec succès sur des inductances discrètes et planaires intégrées pour des fréquences de mesure allant jusqu’au MHz. Nous avons ainsi montré que cette méthode permet de relever des cycles mineurs jusqu’à la saturation du matériau magnétique et de tracer l’évolution de l’inductance en fonction de la composante continue du courant. Les résultats montrent que pour de très faibles courants, on a des fortes valeurs de l’inductance qui sont quasiment constantes, en revanche à des courants moyens, l’inductance diminue fortement et à des forts courants, le circuit magnétique se sature et la valeur de l’inductance devient donc très faible. Cette méthode permet également d’étudier l’évolution des pertes fer dans les mêmes conditions d’utilisation que celles rencontrées en électronique de puissance / In applications of power electronics, inductors are generally used with triangular and rectangular waveforms. In these conditions, inductors cannot be characterized with sinusoidal waveforms. Many methods of characterization are developed, but none of them allow the characterization of integrated magnetic components under conditions compatible with power electronics waveforms. A new real-time characterization method suitable for integrated magnetic components is developed in this thesis. The Device under test is inserted in a DC-DC converter. From u(t) voltage and i(t) current recordings, it is possible to determine the φ(i) hysteresis loop that allows main inductor parameters to be determined: inductance value, core losses, and saturation of the magnetic material. It should be made clear when u(t) and i(t) are recorded, suitable signal processing is completed in order to obtain usable signals. The method has been successfully tested on discrete and integrated inductors with measurement frequencies up to MHz. We have thus shown that this method makes it possible to determine minor loops up to the saturation of the magnetic material and to plot the evolution of the inductance versus the DC bias current.The results show that for very low current values, we have obtained strong values of inductor and these values are constant. However, for the mean current, the inductance value decreases drastically and for strong current values, the magnetic material is saturated which causes very small values of inductor. This method also makes it possible to study the evolution of iron losses under the same conditions of use as those encountered in power electronics

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude à la fois théorique et expérimentale de la dynamique de l'aimantation assistée par un champ électrique dans un dispositif à base de (Ga,Mn)As. Une couche de (Ga,Mn)As, dont l’anisotropie magnétique est complexe, est un matériau de choix pour la manipulation de l’aimantation par un champ électrique.J’ai présenté une stratégie de retournement précessionnel de l'aimantation qui tire partie de la réduction transitoire de l'anisotropie cubique provoquée par une courte impulsion de champ électrique. A l’aide d’un modèle macrospin, j’ai démontré notamment qu'une impulsion de champ électrique de quelques ns de durée est suffisante pour basculer l'aimantation entre deux positions d'équilibres.L'aspect expérimental est basé sur l'utilisation d'une jonction p-n tout semi-conducteur dont la région dopée p est formée par une couche mince de (Ga,Mn)As. La déplétion des porteurs de charge dans le canal semi-conducteur provoquée par l'application d'un train d'impulsions de tension de courte durée induit une forte diminution du champ d'anisotropie cubique. L'étude expérimentale du renversement de l'aimantation en champ magnétique a conduit à la mise en évidence d'un retournement de l'aimantation via la nucléation et la propagation de parois et d’une distribution large des champs de piégeage. L'inhomogénéité magnétique au sein de la couche de (Ga,Mn)As a empêché l'observation d'une résonance ferromagnétique induite par un champ électrique. Néanmoins, des mesures de retournement avec une ou plusieurs impulsions de tension de grille ont permis de proposer un processus de renversement de l'aimantation induit par un champ électrique. / This work has been devoted to the study of both theoretical and experimental electric field induced magnetization dynamics in a (Ga,Mn)As based device. A layer of (Ga,Mn)As, whose magnetic anisotropy is complex, is of particular interest for magnetization manipulation by electric fields.I proposed a scheme for the precessional switching of the magnetization using cubic anisotropy field reduction triggered by electric field pulse. Using a model macrospin, I demonstrated that a ns-pulse is sufficient to switch the magnetization between two equilibrium positions.An all-semiconductor epitaxial p-n junction based on low-doped (Ga,Mn)As was fabricated. Gating effects triggered by low voltage pulses induced a strong decrease of the cubic anisotropy field. I demonstrated that magnetization reversal is dominated by the nucleation and the propagation of domain walls. The distribution of pinning fields was found to be broad. Due to a magnetic inhomogeneity of the (Ga,Mn)As layer, it was not possible to observe any ferromagnetic resonance induced by an electric field. However, I proposed a magnetization reversal scenario based on single or multiple gate voltage pulses measurements

Dans les systèmes des télécommunications, beaucoup d’études ont été entreprises pour intégrer des composants passifs non réciproques. Le bon fonctionnement des circulateurs exige souvent des aimants volumineux et lourds qui assurent une orientation uniforme des moments magnétiques du matériau ferrite. Pour tendre vers l’intégration et la miniaturisation des circulateurs, les nanotechnologies peuvent offrir des solutions intéressantes. L’objectif de cette thèse a été de développer un circulateur coplanaire auto-polarisé. L'approche choisie est fondée sur la réalisation de substrats composites à «nano-fil ferrimagnétiques». Elle consiste à faire un dépôt par magnétophorèse ou dip-coating de nanoparticules de ferrite de cobalt dans des membranes d’alumine poreuses et de les orienter sous champ magnétique de manière uniforme. Des substrats composites magnétiques ont été fabriqués à partir de nanoparticules CoFe2O4 dispersées dans une matrice sol-gel de silice en utilisant la technique de Dip-coating avec et sans un champ magnétique appliqué. De nombreuses études ont été faites afin d'étudier le comportement magnétique et diélectrique de ces substrats : VSM, polarimétrie spectrale, MFM et autres. Les cycles d'hystérésis montrent une forte différence des valeurs des champs coercitifs (μ0Hc) et rémanents (Mr/Ms) si, durant la fabrication, un champ magnétique est appliqué ou non, démontrant ainsi l'orientation (ou non) des nanoparticules. Ce nano-composite est un candidat intéressant pour la fabrication de circulateurs même si la concentration et l’orientation des particules sont insuffisantes. Des circulateurs ont été conçus, modélisés et simulés à l'aide du logiciel HFSS. Suite à des résultats de simulation intéressants; un premier prototype a été fabriqué et caractérisé en hautes fréquences. Les résultats de mesure ont montré un phénomène de circulation, qui reste très faible en raison du faible pourcentage de nanoparticules magnétiques dans le composite et de leur orientation imparfaite. Les verrous technologiques ont été clairement identifiés et ne permettent pas, pour l’instant, de réaliser un circulateur opérationnel / In telecommunications systems, many studies have been undertaken to integrate non-reciprocal passive components. The proper functioning of circulators often requires large and heavy magnets that ensure a uniform orientation of the magnetic moments of the ferrite material. To work towards the integration and miniaturization of circulators, nanotechnology can offer interesting solutions. The aim of this thesis was to develop a self-biased coplanar circulator. The approach is based on the production of composite substrates "ferrimagnetic nanowire." It consists in a magnetophoresis or a dip-coating deposition of cobalt ferrite nanoparticles in porous alumina membranes and orienting them in a magnetic field uniformly. Magnetic composite substrates were made from CoFe2O4 nanoparticles dispersed in a matrix of silica sol-gel using the dip-coating technique with and without an applied magnetic field. Many studies have been made to study the magnetic and dielectric behavior of these substrates: VSM, spectral polarimetry, MFM and others. The hysteresis loops show a strong difference in the values of coercive fields (μ0Hc) and persistent (Mr / Ms) if, during the fabrication, a magnetic field is applied or not, therefore showing the orientation (or not) of nanoparticles. This nano-composite is an interesting candidate for the fabrication of circulators even if the concentration and the particle orientation are insufficient. Circulators were designed, modeled and simulated using the HFSS software. Following the interesting results of simulation; a first prototype was fabricated and characterized at high frequencies. The measurement results showed a circulation phenomenon, which is very low due to the small percentage of magnetic nanoparticles in the composite and their imperfect orientation. Technological barriers have been clearly identified and do not allow for the time to achieve an operational circulator

Les oxydes forment une classe de matériaux qui couvrent un vaste spectre de fonctionnalités: diélectricité, semiconductivité, métallicité, supraconductivité, optique non linéaire, acoustique, piézoélectricité, ferroélectricité, ferromagnétisme… Dans cette thèse nous avons réalisé l’intégration d’oxydes sous forme de couches minces cristallines sur silicium, en utilisant l’épitaxie par jets moléculaires (EJM).Le premier objectif de la croissance d’oxydes cristallins sur silicium est de réaliser des isolateurs de grille à forte constante diélectrique pour les technologies CMOS avancées« sub-22nm ». L’utilisation de l’oxyde de gadolinium (Gd2O3) a été explorée en détail comme un candidat très prometteur pour remplacer l’oxyde de grille traditionnelle qu’est la silice(SiO2). La croissance épitaxiale de Gd2O3 sur le substrat Si (111) a été réalisée en identifiant les conditions de croissance optimale pour obtenir de bonnes propriétés diélectriques avec notamment l’obtention d’une valeur d’EOT de 0,73nm et des courants de fuite compatibles avec les spécifications de l’ITRS pour les noeuds « sub-22nm ». En outre, les propriétés diélectriques de Gd2O3 ont pu être améliorées en effectuant des recuits post-dépôts. L’autre intérêt d’avoir un empilement d’oxydes cristallins sur silicium repose sur leurs applications potentielles dans les technologies « Plus que Moore » ainsi que pour l’« Intégrations hétérogènes». Le système SrTiO3/Si (001) a été étudié comme un système modèle de l'intégration des oxydes sur semi-conducteur. La cristallinité, la qualité de l’interface oxyde-semiconducteur, l’état de surface et le processus de relaxation de STO déposé sur silicium ont été examinés et analysés, permettant de déterminer des conditions de croissance optimales. Plusieurs processus de croissance ont été réalisés et comparées. Finalement, une couche mince de STO de même qualité qu’un substrat massif a pu être obtenue sur silicium avec une bonne cristallinité et une surface atomiquement lisse. A partir des empilements de Gd2O3/Si et SrTiO3/Si, il a été possible d’intégrer sur silicium des oxydes possédant des fonctionnalités variées comme la ferro-(piézo-)électricité(BaTiO3, PZT et PMN-PT), le ferromagnétisme (LSMO) et l’optoélectronique (Ge). Ces couches minces fonctionnelles sur Si peuvent être alors largement utilisées pour des applications de stockage mémoire, les lasers et les cellules solaires, etc. / Oxides form a class of material which covers almost all the spectra of functionalities : dielectricity, semiconductivity, metallicity superconductivity, non-linear optics, acoustics, piezoelectricity, ferroelectricity, ferromagnetism…In this thesis, crystalline oxides have beenintegrated on the workhorse of the semiconductor industry, the silicon, by Molecular Beam Epitaxy (MBE).The first great interest of the epitaxial growth of crystalline oxides on silicon consists in the application of “high-k” dielectric for future sub-22nm CMOS technology. Gadoliniumoxide was explored in detail as a promising candidate of the alternative of SiO2. The pseudomorphic epitaxial growth of Gd2O3 on Si (111) was realized by identifying the optimal growth conditions. The Gd2O3 films show good dielectric properties and particularly an EOTof 0.73nm with a leakage current consistent with the requirements of ITRS for the sub-22nmnodes. In addition, the dielectric behavior of Gd2O3 thin films was further improved by performing PDA treatments. The second research interest on crystalline oxide/Si platform results from its potential application for the “More than Moore” and “Heterogeneous integration” technologies. TheSrTiO3/Si (001) was intensively studied as a paradigm of the integration of oxides on semiconductors. The crystallinity, interface and surface qualities and relaxation process of the STO films on silicon grown at the optimal conditions were investigated and analyzed. Several optimized growth processes were carried out and compared. Finally a “substrate-like” STO thin film was obtained on the silicon substrate with good crystallinity and atomic flat surface. Based on the Gd2O3/Si and SrTiO3/Si templates, diverse functionalities were integrated on the silicon substrate, such as ferro-(piezo-)electricity (BaTiO3, PZT and PMN-PT),ferromagnetism (LSMO) and optoelectronics (Ge). These functional materials epitaxially grown on Si can be widely used for storage memories, lasers and solar cells, etc.