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.

L’impact de l’homme sur l’environnement mondial et sur la diversité et le fonctionnement des écosystèmes terrestres fait l’objet d’une attention croissante. De nombreuses études ont évalué les effets de facteurs du changement global tels sur les processus de cycle de l'azote du sol dans les prairies. Cependant, ces études n'ont pas pris en compte le fait que la modification du régime de précipitations avait également une influence sur le régime de dépôt d'azote. En outre, la réponse du cycle de l'azote dans les sols des prairies à de multiples facteurs du changement global agissant ensemble et parfois en même temps que des perturbations telles que les incendies, doit encore être étudiée. Cela limite fortement notre capacité à comprendre et à prévoir les effets du changement global sur les prairies. Dans ce travail de doctorat, deux expériences ont été menées: (i) une expérience en mésocosme pour évaluer les effets combinés d'une augmentation des dépôts d'azote et de changements dans la quantité et la fréquence des précipitations sur le cycle de l'azote édaphique dans une prairie semi-aride; (ii) une expérience in situ pour évaluer les effets combinés de l'augmentation de la concentration en CO2, du réchauffement, d’une modification des précipitations, du dépôt d'azote et d’un feu sur le cycle de l'azote du sol dans une prairie méditerranéenne. Cela permet d'étudier les effets de la combinaison de plusieurs facteurs de changement global (et d’une perturbation feu) sur l'abondance des communautés microbiennes du cycle de l'azote.Les groupes microbiens étudiés étaient les bactéries et les archées oxydant l'ammoniac (AOB et AOA, respectivement), les réducteurs de nitrite porteuses des gènes nirK ou nirS, et les réducteurs de N2O porteurs des gènes nosZI- et nosZII, plus les bactéries oxydant le nitrite du genre Nitrobacter et Nitrospira pour la prairie méditerranéenne. Les principaux résultats et conclusions sont les suivants: 1) Les réactions des différents groupes de (dé)nitrifiants aux scénarios de changement global différaient fortement quel que soit le type de prairie. Les AOB étaient principalement dépendant de la disponibilité en azote En revanche, dans les deux prairies, les AOA étaient plus sensibles à la dynamique de l'eau du sol que la dynamique de l'azote. L'abondance des Nitrobacter étaient principalement affectée par les facteurs de changement global affectant l'abondance de l'AOB, tandis que l'abondance des Nitrospira était davantage liée aux changements d'abondance des AOA dans la prairie méditerranéenne. 2）Dans la prairie californienne où deux dépôts d'azote élevés avaient lieu chaque année, l'effet de l'azote dominait les effets du changement global. En revanche, dans la prairie chinoise, les dépôts d’azote simulés par des apports chroniques couplés aux événements de précipitation n’augmentaient pas l’abondance des dénitrifiants et ne faisaient que légèrement augmenter les émissions de N2O. 3） Pour les deux prairies, l'interaction entre les facteurs du changement global sur le cycle de l'azote du sol ne pouvait pas être prédite simplement en étudiant les effets d'un ou de deux facteurs. Ces effets interactifs ont pu être expliqués par des effets sur des variables environnementales clés telles que l'humidité du sol, la disponibilité de l'azote minéral, le pH et la croissance des racines. Ces résultats démontrent qu'il est impossible de prédire comment les (dé)nitrifiants et la (dé)nitrification répondent aux scénarios de changement global impliquant de multiples facteurs uniquement à partir de la connaissance d'effets de facteurs étudiés isolément. Cela nécessite donc des études plus approfondies dans le domaine de la biologie des changements globaux. La modélisation et l'évaluation de la généralité de ces effets d'interaction complexes constituent donc une priorité majeure pour les chercheurs qui veulent prédir les réponses du cycle de l'azote dans le sol au changement global et les rétroactions sur le climat. / The impact of global environmental changes on the diversity and functioning of terrestrial ecosystems has received increasing attention. Many studies evaluated the effects of single -and less often multiple- global change factors on soil N cycling processes in grasslands. However, these studies have not recognized that altered precipitation regime also has an influence on wet N deposition regime. Further, the response of grassland soil N cycling to co-occurring multiple global change factors and disturbance like fire, and how N cycling response to fire could differ under different global change scenarios, remains unclear. This strongly restricts our ability to understand and predict global change effect on grasslands. In this work, two experiments were conducted: (i) a mesocosm experiment to assess the combined effects of increased N deposition and changes in both the amount and frequency of rainfall on soil N cycling in a semi-arid Monsoon grassland; and (ii) an in situ experiment to assess the combined effects of elevated CO2, warming, increased precipitation, N deposition and fire on soil N cycling in a Mediterranean grassland. This allows studying the -possibly interactive- effects of several global change factors on the abundances of soil N-cycling microbial communities. The microbial groups studied were ammonia oxidizing bacteria and archaea (AOB and AOA, respectively), nirK- and nirS-nitrite reducers, nosZI- and nosZII-N2O reducers, plus Nitrobacter and Nitrospira for the Mediterranean grassland. The main results and conclusions are: 1）The responses of different groups of soil (de)nitrifiers to global change scenarios differed strongly regardless the grassland type. AOB were mostly driven by N. In contrast, AOA were more sensitive to soil water dynamics than N dynamics in both grasslands. Nitrobacter abundance was mostly affected by global change factors through their effects on AOB abundance, whereas Nitrospira abundance was more related to changes of AOA in the Mediterranean grassland. Similarly, nirK- and nirS-harboring nitrite reducers and nosZI-harboring N2O reducers were more sensitive to N deposition than nosZII-harboring N2O reducers, and nirK- and nirS-bacteria positively responded to reduced precipitation. This highlights niche differentiation between them and indicates that the balance between them may be altered in the future; 2）In the Mediterranean grassland, where high N deposition was simulated by two N addition events each year, the N effect dominated global change effects. In contrast, in the Monsson grassland, chronic wet N deposition did not increase denitrifier abundance and only weakly increased soil N2O emissions. This was explained by the efficient capture of added N by the dominant grass species and by the increased plant growth leading to increased transpiration and decreased soil moisture. 3）For both grasslands, the interaction between global change factors on soil N cycling could not be predicted simply by studying the effects of one or two factors. These interactive effects were explained by effects on key environmental variables like soil moisture, mineral N availability, pH and belowground plant growth.These results demonstrates the limitation of predicting how (de)nitrifiers respond to global change scenarios involving multiple factors only from studying single factor effects. Particularly, interactive effects were observed between N deposition, decreased precipitation amount and altered precipitation frequency in the Monsoon grassland; and between fire, N deposition, warming, elevated precipitation and elevated CO2 in the Mediterranean grassland. This calls for more comprehensive studies in the global change biology domain. Modelling and evaluating the generality of these complex interaction effects is thus a high priority for research to predict the responses of soil N cycling processes to global change and feedbacks on climate in the future

Le graphène est un matériau bidimensionnel appartenant à la famille des allotropes du carbone. Il consiste en une couche atomique restant stable grâce à des liaisons chimiques fortes dans le plan entre les atomes de carbone. C'est un semi-conducteur sans bande interdite (gap) avec une dispersion d'énergie linéaire près des points de Dirac, ce qui facilite le transport balistique des porteurs de charge. De plus, tout comme n'importe quel semi-conducteur, il est possible de contrôler ses propriétés électriques sous l'influence d'un champ électrique externe, ce qui permet de modifier la densité de porteurs et leur type (électrons ou trous). Le graphène peut être élaboré par différentes techniques, mais nous avons considéré la croissance directe sur le carbure de silicium (SiC) par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) avec une source de carbone externe, technique développée dans notre laboratoire depuis 2010. Cette approche est attrayante car elle permet de contrôler les propriétés du graphène en modifiant les paramètres de croissance. Notre objectif dans ce manuscrit est de donner une idée plus approfondie de cette technique de croissance et d'étudier son potentiel pour la croissance du graphène. À cette fin, nous avons discuté en détail de différents aspects de la croissance, en commençant par des simulations thermodynamiques pour comprendre la chimie gouvernant cette méthode. Nous avons également étudié l'influence des différents paramètres de croissance sur la formation du graphène et sur ses propriétés, tels que le temps de croissance, le débit de propane et d'autres paramètres. Cependant, nous nous sommes principalement concentrés sur deux paramètres majeurs : la quantité d'hydrogène dans le mélange gazeux, surtout que la croissance se fait sous hydrogène et argon, et la désorientation du substrat. Nos recherches ont révélé que la structure du graphène peut être modifiée en fonction de la proportion de l’hydrogène dans le mélange des gaz utilisé pour la croissance. Pour une faible proportion d’hydrogène, la croissance du graphène est associée à une reconstruction d'interface de (6√3×6√3), alors que pour une proportion élevée d’hydrogène, la couche de graphène est désordonnée dans le plan. Ces observations sont liées à l'intercalation de l'hydrogène à l'interface entre la couche de graphène et le substrat SiC, ce qui peut favoriser ou interdire la formation de la reconstruction (6√3×6√3) comme nous l'avons discuté dans le manuscrit. On s'attend à ce que la présence des deux structures de graphène ait un effet sur la contrainte dans la couche de graphène. Pour cette raison, nous avons discuté en détail les origines de la contrainte dans le graphène et tenté de corréler l'intercalation de l'hydrogène à l’interface avec la contrainte. Aussi, nous avons montré que l'angle de désorientation du substrat a une influence directe sur la croissance du graphène, affectant principalement la morphologie mais également la contrainte dans la couche du graphène. Enfin, nous avons pu produire du graphène de haute qualité, tout en démontrant la possibilité de contrôler ses propriétés électriques avec les conditions de croissance. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons étendu notre étude à la croissance du graphène sur les semi-conducteurs de type nitrures d’éléments III et en particulier le nitrure d’aluminium (AlN) massif ainsi que des couches hétéroépitaxiées d’AlN/SiC et AlN/Saphir, ce qui ouvre de nouvelles opportunités pour des applications innovantes. La croissance du graphène a été précédée d'une étude de recuit sur les différents échantillons d’AlN, dans le but d'améliorer leur qualité de surface, mais aussi pour tester leur stabilité à la température nécessaire pour la croissance du graphène. Bien que le film d’AlN ait été incapable de résister à la température élevée dans certains cas, une amélioration de la qualité cristalline a été détectée, attribuée à l'effet de recuit. / Graphene is a two-dimensional material belonging to the family of carbon allotropes, consisting of a stable single atomic layer owing to strong in-plane chemical bonds between carbon atoms. It can be identified as a gapless semiconductor with a linear energy dispersion near the Dirac points, which facilitates ballistic carrier transport. In addition, similarly to any semiconductor, it is possible to control its electrical properties under the influence of an external electric field, resulting in the tuning of its carrier density and doping type, i.e. electrons or holes. Graphene can be elaborated by different techniques and approaches. In this present work, we have considered the direct growth on silicon carbide (SiC) by chemical vapor deposition (CVD) with an external carbon source. This approach which has started to be developed in our laboratory since 2010 is very promising since it allows to control the graphene properties by manipulating the growth parameters. Our objective in this manuscript is to give further insights into this growth technique and to study its potential for the growth of graphene. For this purpose, we have discussed in details different aspects of the growth, starting with thermodynamic simulations to understand the chemistry behind our distinct growth approach. We have also investigated the influence of the different growth parameters, such as the growth time, the propane flow rate and other parameters on the growth of graphene and its properties. However, we mainly focused on two major factors: the hydrogen amount in the gas mixture, especially since the growth is carried out under hydrogen and argon, and the substrate’s miscut angle. Our investigations revealed that the graphene structure can be altered depending on the hydrogen percentage in the gas mixture considered for the growth. For low hydrogen percentage, the graphene growth is associated with a (6√3×6√3) interface reconstruction, whereas for high hydrogen percentage, the graphene layer is dominated by in-plane rotational disorder. These observations are related to the hydrogen intercalation at the interface between the graphene layer and the SiC substrate, which can allow or prohibit the formation of the (6√3×6√3) interface reconstruction as we have discussed thoroughly in this manuscript. The presence of two graphene structures was expected to impact the strain within the graphene layer. For this reason, we have discussed in details the origins of the strain in graphene and attempted to correlate the hydrogen intercalation at the interface to the strain amount. Furthermore, the substrate’s miscut angle was also found to have a direct influence on the growth of graphene, mainly affecting the morphology but also the strain within the graphene layer. In light of the different studies and results, we were able to combine the ideal growth parameters to produce state-of-the art graphene, while demonstrating the possibility of tuning its electrical properties with the growth conditions. In a second part of this work, we extended our study to the growth of graphene on III-nitrides semiconductors. We have considered substrates and templates such as bulk aluminum nitride (AlN), AlN/SiC and AlN/sapphire, which opens new opportunities for innovative applications. The growth of graphene was preceded by an annealing study on the different AlN substrates, in an attempt to enhance their surface quality, but also to test their stability at the temperatures necessary for the growth of graphene. Although the AlN film was found to be unable to withstand the high temperature in some cases, an enhancement of the crystalline quality was detected, attributed to the annealing effect.

La polarité est une question critique pour le système de matériaux III-nitrures, qui a un impact sur la qualité des films épitaxies et la performance des dispositifs à base de nitrure. Mais la compréhension des mécanismes élémentaires responsables de l'établissement de la polarité N ou métallique des films sur le substrat non-polaire manque. Les concepts existants sont basés sur des observations empiriques et contiennent des résultats ambigus. Une des raisons principales est le manque d'outils analytiques, permettant la détermination localisée de la polarité et de la structure atomique des couches à l'époque, lorsque les concepts de contrôle de la polarité ont été établis. Dans ce travail, nous développons un concept de contrôle de la polarité dans les couches AlN et GaN épitaxies sur substrat de saphir par EPVOM. La polarité des couches est étudiée par microscopie électronique en transmission (MET) haute résolution corrigée des aberrations et par microscope électronique à balayage en transmission en champ sombre (HAADF-STEM). L'analyse des investigations expérimentales donne les principaux résultats suivants : (i) le mécanisme qui régit la sélection de la polarité ; (ii) la relation entre la nitruration de la surface et les domaines de polarité Al dans les films d'AlN N-polaire ; (iii) possibilité d’inverser la polarité N de films d’AlN de polarité mixte en introduisant un recuit sous oxygène. La compréhension de mécanisme par lequel la polarité est contrôlée ouvre les possibilités d'une ingénierie de polarité dans les films de nitrure et peut donner une idée de la compréhension du contrôle de la polarité dans d'autres systèmes de matériaux (par exemple, les oxydes). / Polarity is a critical issue for III-nitrides material system that has an impact on the quality of epitaxial films and the performance of nitride-based devices. But the understanding of the elementary mechanisms that are responsible for establishing metal or nitrogen polarity of the films on nonpolar substrate is lacking. The existing concepts are based on empirical observations and contain ambiguous results. One of the main reasons for that is the lack of precise analytical tools, allowing localized determination of polarity and atomic structure of layers, at the time, when main concepts for polarity control were established. In this work we develop a concept of polarity control in AlN and GaN layers grown by MOVPE on sapphire substrates. The polarity of the layers is studied by aberration corrected HRTEM and high resolution high-angle annular dark field (HAADF) scanning TEM. The analysis of the experimental investigations yields the following principal results: (i) mechanism that governs polarity selection; (ii) relation between sapphire surface nitridation and Al-polar domains in N-polar AlN films; (iii) possibility of controlled switching the layers polarity from N to Al by oxygen annealing.Understanding of this mechanism by which polarity is controlled opens up the possibilities for polarity engineering in nitride films and can give a clue to understanding polarity control in other material systems (e.g. oxides).

Le système d’injection Diesel doit résister à des conditions opératoires (pression, température) de plus en plus sévères, et être compatible avec les évolutions du carburant diesel, telles que l’introduction des Esters Méthyliques d’Acide Gras (EMAG) et l’utilisation de différents additifs, qui peuvent affecter la durabilité des véhicules, suite à la formation de dépôts. L’objectif des travaux de cette thèse est la compréhension des mécanismes de formation des dépôts issus de l’oxydation des carburants et la détermination des paramètres majeurs participant aux interactions dépôts-substrats (état de surface, matériaux, géométrie, thermique…). Deux études ont été abordées dans cette thèse. La première étude porte sur l’oxydation accélérée des carburants Diesel, des EMAG et des mélanges Diesel/EMAG en phase liquide en utilisant le moyen d’essai PetroOxy, la cinétique d’oxydation a été déterminée pour les différents carburants et la caractérisation des produits d’oxydation a été effectuée utilisant les moyens d’analyse (FTIR-ATR, ATG/DTG et GC/MS). La seconde étude est dédiée à la reproduction du dépôt sur les substrats en (aluminium, acier inoxydable, PEEK, revêtement or sur aluminium, revêtement silcoklean sur acier inoxydable) en utilisant le moyen d’essai Micro Cokage et la caractérisation du dépôt obtenu dans chaque cas en utilisant les moyens d’analyse (FTIR-ATR, ATG/DTG, FEG et XPS). Les résultats de ces travaux ont permis de déterminer l’impact de la nature et du taux d’EMAG ajouté au Diesel sur la stabilité à l’oxydation des carburants ; de mettre en place une hypothèse de formation de dépôt à partir de l’oxydation des carburants en phase liquide jusqu’à la formation de nanoparticules de dépôt sphériques ; et déterminer l’impact du substrat sur la formation et l’adhésion du dépôt à la surface du matériau. / Diesel injection system must withstand more severe operating conditions (pressure, temperature), and be compatible with the evolution of diesel fuel, such as the introduction of Fatty Acid Methyl Esters (FAME) and use of different additives, which may affect the durability of the vehicle, following the formation of deposits. The objective of this work is to understand the mechanisms of deposit formation from fuel oxidation and determine the major parameters involved in deposit-substrate interactions (surface condition, materials, geometry, temperature...). Two studies were discussed. The first study focuses on the liquid phase accelerated oxidation of Diesel fuel, FAME and mixtures (Diesel / FAME) using PetroOxy device, the oxidation kinetic was determined for the different fuels and characterization of oxidation products was carried out using the (FTIR-ATR, ATG / DTG and GC / MS). The second study was dedicated to the reproduction of deposit on different substrates (aluminum, stainless steel, PEEK, aluminum coating on gold, silcoklean coating on stainless steel) using the Micro Coking device, and characterization of the deposit obtained in each case using (FTIR-ATR, ATG / DTG, XPS and FEG). The results of this work permit to determine the impact of FAME nature and FAME concentration on fuel oxidation stability; an hypothesis was proposed to explain deposit formation.

Le gain en popularité de l’électricité dans le domaine énergétique, observable depuis plusieurs décennies, accentue l’urgence de développer des équipements de stockage efficaces et performants. Les batteries au lithium-ion (Li-ion), commercialisées depuis le début des années 1990, ont presque atteint les limites théoriques imposées par leurs composantes. La recherche s’oriente donc aujourd’hui vers les batteries tout-solide constituées d’une électrode négative de lithium métal. Ces batteries seraient en mesure d’atteindre des densités énergétiques supérieures à celles attribuables aux batteries lithium-ion utilisées et commercialisées à ce jour. Cependant, il subsiste toujours une impasse qui doit être solutionnée afin d’en assurer la viabilité : la formation de dendrites ou de mousse de lithium à la surface de l’électrode négative de lithium métal occasionne le court-circuit des batteries et en réduit l’espérance de vie. Plusieurs pistes de solutions sont proposées afin de réduire ou d’éliminer les problèmes de croissance dendritique et de mousse de lithium. Toutefois, il y a un manque d’information dans la littérature en lien avec la corrélation entre l’état de surface des électrodes négatives (anodes) de lithium métal et les performances électrochimiques de ces dernières. Ce projet de recherche visera donc, entre autres, à étudier l’impact de l’état de surface de l’électrode négative de lithium sur ses performances électrochimiques, dont son temps de vie, sa polarisation et son impédance. Une caractérisation a été effectuée sur les feuilles de lithium étudiées et sur l’interface lithium métal/électrolyte polymère. Suite à l’étude des feuilles sous leur forme native, des dépôts protecteurs d’or, d’aluminium et de fluorure de lithium ont été appliqués par déposition en phase vapeur (PVD) sur le lithium industriel de basse rugosité, afin d’évaluer si ces derniers amélioraient la performance électrochimique des cellules. La caractérisation physique a été effectuée par microscopie de force atomique à effet tunnel (Peakforce-TUNA) et microscopie électronique à balayage (MEB). Ensuite, la caractérisation chimique de chaque feuille de lithium utilisée a été caractérisée principalement par spectroscopie photoélectronique par rayons X (XPS) et par spectrométrie de masse à plasma induit (ICP-MS), permettant respectivement de connaître la composition chimique surfacique et complète des feuilles de lithium. Finalement, l’impact de l’interface lithium métal/électrolyte polymère sur la viabilité des cellules complètes a été déterminé par des cyclages galvanostatiques. Ces batteries ont enfin été observées post mortem par MEB afin d’observer l’impact du cyclage sur l’état interne des cellules. Il a été déterminé que la morphologie des feuilles de lithium et de l’interface lithium métal/électrolyte polymère ont un impact sans équivoque sur la durée de vie et sur la polarisation des cellules étudiées. Une méthode de préparation de surface électrochimique a donc été conçue, en cyclant les électrodes de lithium à basse densité de courant (0,130 mA.cm-2), améliorant ainsi la durée de vie des cellules symétriques exploitant des électrodes de lithium métal. / The increased use of electricity witnessed during the past few decades emphasizes the urgency of developing efficient and performing energy storing devices. Present on the market since the beginning of the 1990s, Lithium-ion (Li-ion) batteries have reached the theoretical limit inherent to their components. Research efforts currently aim at developing all-solid batteries composed of a negative lithium electrode. This type of electrode uses only lithium in its pure metallic state and it has the capacity to attain higher energy densities than those attributable to the lithium-ion batteries. Despite the potential of this promising technology, there is an obstacle that must be overcome in order to ensure its viability: the formation of dendrites and mossy lithium on the surface of the lithium metal negative electrode causes the batteries to short-circuit and reduces their life expectancy. Several solutions have been proposed in the literature in order to either eliminate or mitigate the issues of dendritic growth and mossy lithium. However, published studies do not specifically address the correlation between the state of the surface of the lithium metal and its electrochemical performance when used as the negative electrode (anode). This research project therefore focused on evaluating the impact of the state of the surface the lithium metal negative electrode on its electrochemical performance, such as its lifetime, polarization, and impedance. The lithium sheets and the lithium metal/polymer electrolyte interface were characterized in order to better understand the problematic processes related to the use of the lithium metal in batteries. In addition to studying the sheets in their native form, a protective gold deposit was applied by physical vapor deposition (PVD) on the lithium sheets to determine whether the deposit improved the electrochemical performance of the cells. The physical characterization was performed by using tunnelling atomic force microscopy (Peakforce-TUNA) and scanning electron microscopy (SEM). Each lithium x sheet used was then characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). These chemical characterizations allowed to determine the surface and bulk chemical compositions of the lithium sheets. Finally, in order to understand the impact of the lithium metal/polymer electrolyte interface on the viability of complete cells, galvanostatic cycling, similar to true operating conditions of a battery, was performed. Cross-sections of these batteries were assessed post-mortem by SEM in order to analyze the impact of the cycling density on the internal state of the cells. It has been determined that the morphology of the lithium foils and the lithium metal/polymer electrolyte interface impacted the lifespan and the polarization of the studied cells. An electrochemical surface preparation method was therefore designed by cycling the lithium electrodes at a low current density (0.130 mA.cm-2), thus improving the life of the symmetrical cells composed of lithium metal electrodes.

Des méthodes électrochimiques à potentiel et à courant imposé appliquées à l'étude des réactions avec dépôt métallique sur un métal de même nature ou sur un substrat étranger sont examinées. Des précisions inédites concernant la voltamétrie à escalier de potentiel et la voltamétrie à signaux carrés de potentiel pour les réactions rapides et lentes avec et sans nucléation tridimensionnelle sont apportées. Les conclusions théoriques sont validées par l'étude du couple Ag(I)/Ag sur les électrodes d'or et d'argent dans HNO3 1 M, KNO3 1 M et dans le liquide ionique [EMIM][NTf2] anhydre ou humide. Le dépôt d'argent s'effectue sans aucune surtension de nucléation tridimensionnelle seulement dans HNO3 et dans [EMIM][NTf2] anhydre. La réaction électrochimique est rapide dans les solutions aqueuses et dans [EMIM][NTf2] humide tandis qu'elle est lente dans [EMIM][NTf2] anhydre. Les paramètres cinétiques sont déterminés par simulation numérique. / Electrochemical methods with potential or current imposing for the study of reactions with metal deposition on the same metal and on foreign substrate are reviewed. New information is provided on staircase voltammetry and square wave voltammetry for fast and slow electrode reactions with and without three-dimensional nucleation. Theory is validated through the study of Ag(I)/Ag couple on gold and silver electrodes in 1 M HNO3, 1 M KNO3 and in dry or wet [EMIM][NTf2] ionic liquid. Silver deposition takes place without any three-dimensional nucleation overvoltage only in HNO3 and in dry [EMIM][NTf2]. The electrochemical reaction is fast in aqueous solutions and in wet [EMIM][NTf2] while it is slow in dry [EMIM][NTf2]. Kinetic parameters are determined by numerical simulation.

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.

L’atmosphère est un milieu complexe, loin d’être parfaitement homogène. Elle contient de nombreuses particules, sous formes solides ou liquides, dénommées aérosols. Ces particules peuvent affecter l’équilibre radiatif de la planète, la qualité de l’air dans les milieux urbains et changer la composition chimique de l’atmosphère malgré leur présence à des très faibles teneurs. Par ailleurs, au niveau du sol, la phase gazeuse atmosphérique peut interagir avec la végétation et le bâtiment, tout particulièrement en zone urbaine. Ce travail se situe donc dans le cadre général de l’étude des réactions photoinduites à l’interface air/solide afin de pouvoir comprendre et décrire leur rôle dans la pollution atmosphérique (principalement urbaine). Cette étude a comme objectif principal l’étude de l’influence du rayonnement solaire sur les cinétiques hétérogènes des réactions impliquant le dioxyde d’azote et des surfaces organiques (pyrene, fluoranthene, phénanthrène) pures et des surfaces organiques/inorganiques (pyrene/KNO3, pyrene/Fe2O3, pyrene/KNO3/Fe2O3) simulant le dépôt urbain. De telles réactions n’ont pas encore été étudiées. Ces travaux ont été menés expérimentalement à l’aide de réacteurs de type « tube à écoulement » couplé à un détecteur spécifique du gaz en trace étudié. Après avoir mis en évidence une capture photoinduite sur ces surfaces, nous avons montré que la capture de NO2 dépend de plusieurs paramètres tels que la concentration de NO2, l’humidité relative, le flux photonique avec l’identification des produits de réactions, en l’occurrence l’acide nitreux HNO2, le monoxyde d’azote, les ions nitrites et le 1‐nitropyrene. L’acide nitreux détecté est un élément favorisant les pics de pollution photochimique à l’ozone. Ainsi ce travail est une avancée importante dans ce champ de recherche. / The atmosphere contains a wide variety of solid and liquid particles, named Aerosol. These particles can affect the radiatif balance, air quality in urban environment and can change the composition of the atmosphere. The atmospheric gas phase can react with the vegetation and the buildings containing the urban grime. This work is focused on the investigations of the heterogeneous chemistry between atmospheric gas phase and the urban grime. The aim of the present work is to study the effect of the irradiation on the heterogeneous kinetic of NO2 on pur organic films (pyrene, fluoranthene, phenanthrene) and on organic/inorganic films (pyrene/KNO3, pyrene/Fe2O3, pyrene/KNO3/Fe2O3) as a first attempt to simulate the complexity of the urban grime. A coated flow tube reactor coupled with a NOx analyzer is used to study this kinetic. This work demonstrates the effect of solar radiation on the heterogeneous reaction between gasphase NO2 and the urban grime. The uptake coefficient calculated is a function of the initial NO2 concentration, the relative humidity and the irradiation intensity. We identified after this reaction the formation of nitrous acid and nitric oxide, nitrite ions and 1‐nitropyrene.The nitrous acid is an important compound which dissociates to form the hydroxyl radical and can promote the ozone formation. The results discussed herein suggest that PAHcontaining urban grime on windows and buildings may be a key player in urban air pollution.

Deux mécanismes importants reliant la préparation des couches ultraminces d’oxydes magnétiques à leurs propriétés physiques ont été étudiés dans ce travail. En premier lieu, l’influence de la contrainte épitaxiale sur les propriétés magnéto-optiques de la manganite La₂/₃Sr₁/₃MnO₃ (LSMO) a été étudiée. Les couches ultraminces ont été déposées par ablation laser pulsé sur quatre substrats différents, ce qui a fourni différentes valeurs statiques de la contrainte épitaxiale. Les propriétés magnétiques ont été révélées comme se détériorant avec l’augmentation de la contrainte, ce qui était prévisible à cause de la distorsion grandissante de la maille unitaire ainsi qu’à cause de l’effet de la couche magnétiquement inerte. La combinaison de l’ellipsométrie spectroscopique et de la spectroscopie Kerr magnéto-optique a été utilisée afin de déterminer les spectres des éléments diagonaux et non diagonaux du tenseur de permittivité. L’étude des éléments non-diagonaux a confirmé la présence déjà rapportée de deux transitions électroniques dans les spectres de toutes les couches. De plus, elle a révélé une autre transition électronique autour de l’énergie de 4.3 eV, mais seulement dans les spectres des couches déposées avec une contrainte compressive. Nous avons proposé la classification de cette transition comme une transition paramagnétique du champ cristallin Mn t2g → eg. Cette classification a été confortée par des calculs ab initio. Nous avons ainsi montré le rôle clé de la contrainte dans le contrôle des propriétés magnéto-optiques des couches pérovskites ultraminces. En revanche, l’application dynamique de la contrainte par l’utilisation d’une sous-couche piézoélectrique est restée peu concluante. Le transfert de la contrainte entre la sous-couche piézoélectrique et la couche LSMO nécessite des améliorations ultérieures. En second lieu, l’influence de la désorientation du substrat a été étudiée par rapport à la dynamique de l’aimantation dans l’oxyde SrRuO₃ (SRO). Comme attendu, nous avons trouvé qu’un grand angle de désorientation mène à la suppression de la croissance de plusieurs variants cristallographiques du SRO. Au moyen de la microscopie à force magnétique, nous avons montré que la présence de plusieurs variants de SRO mène à l’augmentation de la densité de défauts agissant comme points d’ancrage ou de nucléation pour les domaines magnétiques. Nous avons donc montré que l’emploi d’un substrat vicinal est important pour la fabrication des couches ultraminces de SRO de haute qualité, avec une faible densité de défauts cristallographiques et d’excellentes propriétés magnétiques. / Two important mechanisms in preparation of ultrathin films of magnetic oxides were systematically investigated in this work. First, influence of epitaxial strain on resulting magneto-optical properties of La₂/₃Sr₁/₃MnO₃ (LSMO) ultrathin films was studied. The investigated films were grown by pulsed laser deposition on four different substrates, providing a broad range of induced epitaxial strains. Magnetic properties were found to deteriorate with increasing value of the epitaxial strain, as expected due to the unit cell distortion increasingly deviating from the bulk and effect of the magnetically inert layer. A combination of spectroscopic ellipsometry and magneto-optical Kerr effect spectroscopy was used to determine spectra of the diagonal and off-diagonal elements of permittivity tensor. The off-diagonal elements confirmed presence of two previously reported electronic transitions in spectra of all films. Moreover, they revealed another electronic transition around 4.3 eV only in spectra of films grown under compressive strain. We proposed classification of this transition as crystal field paramagnetic Mn t2g → eg transition, which was further supported by ab initio calculations. A key role of strain in controlling electronic structure of ultrathin perovskite films was demonstrated. Dynamic application of strain via use of piezoelectric underlayer remained inconclusive, requiring further improvement of the strain transfer from the piezoelectric layer into the LSMO. Second, influence of substrate miscut on magnetization dynamics in SrRuO₃ (SRO) was studied. As expected we found that high miscut angle leads to suppression of multi-variant growth. By means of magnetic force microscopy we showed that presence of multiple SRO variants leads to higher density of defects acting as pinning or nucleation sites for the magnetic domains, which consequently results in deterioration of magnetic properties. We demonstrated that use of vicinal substrate with high miscut angle is important for fabrication of high quality SRO ultrathin films with low density of crystallographic defects and excellent magnetic properties.