Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit concernent l'étude du rôle des déformations (épitaxiale et d'origine thermique) sur les transitions structurales et électriques du dioxyde de vanadium. A cet effet, nous avons synthétisé des films minces de VO₂ par évaporation à faisceau d'électrons et par ablation laser. La géométrie des déformations est contrôlée en modifiant, d'une part, la nature des substrats et, d'autre part, l'épaisseur des dépôts. Dans le cas de la croissance sur des substrats de saphir (Al₂ O₃ ) orientés (001), le fort désaccord de réseau entraîne une croissance par coïncidence de domaine, de sorte que les déformations résiduelles résultent exclusivement du désaccord de coefficient de dilatation entre la couche et le substrat. L'étude de la transition structurale par diffraction des rayons X et l'étude de la résistivité électrique via un dispositif 4 pointes ont montré que la déformation en tension selon l'axe cᵣ conduit à une augmentation de la température de transition (> 68◦ C). L'apparition d'une phase intermédiaire a été mise en évidence au cours de l'étude structurale en température. La croissance sur des substrats de TiO₂ orientés (001) et (111) est caractérisée par un désaccord de réseau de plus faible (∼ 1%) avec une épaisseur critique de 4 nm, à partir de laquelle des dislocations sont créées en vue de relaxer l'énergie élastique. L'étude des transitions électriques et structurales a mis en évidence que l'évolution des transitions résulte d'une compétition entre les déformations épitaxiales, les déformations d'origine thermique et la présence de lacunes d'oxygène à l'interface. / The research presented in this manuscript deals the study of the effect of strain (epitaxial or thermal) on the structural and the electrical transitions of vanadium dioxide. VO₂ thin films have been synthesized by e-beam deposition and Pulsed Laser Deposition methods. The strain geometry is controlled by modifying, on the one hand, the nature of the substrates and, on the other hand, the thickness of thin films. In the case of (001) sapphire substrates (Al₂ O₃ ), the important lattice mismatch leads to a domain matching epitaxial growth mechanism, so that the residual strain solely result from the film/substrate thermal expansion mismatch. The study of the structural phase transition, using X-ray diffraction, and the study of the metal-insulator transition, using a 4-probes device, showed that the tensile strain along the cᵣ axis leads to an increase of the transition temperature (> 68◦ C). The appearance of an intermediate phase was demonstrated during the study of the structural phase transition. Growth on (001)- and (111)-TiO₂ substrates is characterized by a weaker lattice mismatch (∼ 1%), with a critical thickness of 4 nm, from which dislocations are created to relax the elastic energy. The study of electrical and structural transitions has shown that the evolution of transitions results from a competition between epitaxial distorsion, thermal distorsions and the presence of oxygen vacancies at the interface.

Ces travaux de thèse portent sur le développement d’un dispositif de synthèse de nanoparticules (NPs) par une voie physique basée sur la pulvérisation laser d’une cible suivie d’une trempe du panache plasma ainsi formé. L’association de cette source à une enceinte d’ablation laser conventionnelle a permis de synthétiser des NPs d’argent et de vanadium empilées sur des substrats ou noyées dans des matrices synthétisées par ablation laser. Des analyses par microscopie électronique en transmission (MET) et microscope à force atomique (AFM) ont révélé des NPs cristallisées en vol, de forme sphérique et de tailles relativement monodisperses (~ 3 nm de diamètre) fonction de leur temps de séjour dans la cavité de nucléation. La réalisation de nanocomposites Al2O3 amorphe dopée par des NPs d’argent métallique de différentes tailles a montré l’influence de la taille de ces entités nanométriques sur la position et la largeur de la résonance plasmon de surface (RPS) du matériau nanostructuré. Les NPs gardent leur forme originelle après impact sur le substrat ce qui conduit à des empilements de nanoparticules fortement poreux (de l’ordre de 50%). Des NPs de dioxyde de vanadium ont pu être synthétisées par recuit d’empilements de NPs de vanadium. Du fait de leur individualité, les NPs de VO2 présentent une température de transition plus faible (~50°C) et une largeur d’hystérésis plus importante (~10-30°C) qu’un film mince (température de transition d’environ 68°C et largeur d’hystérésis d’environ 3°C). En associant un film mince synthétisé par PLD à un empilement de NPs il est alors possible de combiner leurs propriétés et d’obtenir un matériau nanocomposite présentant une transition par palier. / The work presented in this thesis is focused on the development of an experimental setup for the synthesis of nanoparticles (NPs) by a physical route, based on the laser vaporization of a target and followed by the rapid quenching of the plasma plume. Combining such a NP source with conventional laser ablation makes possible to synthesize silver and vanadium NPs in stacks on substrates or embedded in different matrices synthesized by laser ablation. Transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM) analysis revealed crystallized spherical NPs relatively monodisperse in size (~ 3 nm in diameter) depending on the residence time in the nucleation cavity. The synthesis of amorphous Al2O3 nanocomposites doped with metallic silver NPs of different sizes showed the influence of the size on the position and the width of the surface plasmon resonance (SPR) of the nanostructured material. The NPs keep their original shape during impact on the substrate, leading to highly porous NPs stacks (approximately 50%). Vanadium dioxide nanoparticles (VO2 NPs) have been synthesized by annealing vanadium NPs stacks. Due to their individual behaviour, VO2NPs exhibit lower transition temperature (~ 50°C) and larger hysteresis width (~ 10-30°C) than thin films (transition temperature around 68°C and hysteresis width around 3°C). By coupling a PLD thin film and a NPs stack, it is possible to combine their properties and obtain a nanostructured material having a step transition.

Les travaux réalisés lors de cette thèse ont pour objectif la fabrication de filtres accordables fort Q0. Pour cela nous nous sommes naturellement orienté vers des structures volumiques puisque elles permettent l’obtention de Q0 important. Nous avons également utilisé des éléments d’accord permettant de maximiser ce Q0, tels que des MEMS-RF ou bien encore des patchs de Matériaux à Transition de Phase (PTM) comme le dioxyde de vanadium (VO2). Nous avons démontré lors de notre étude que ces dispositifs garantissaient des Q0 supérieurs à 1000 sur une large plage d’accord. / This work is based on the fabrication of High-Q tunable filters. We looked at cavity filters since they allow us to achieve a high Q0. We also used RF-MEMS or vandium Dioxyde as tuning element. Since they provide a high-Q tuning. We have demonstrated Q0 better than one thousand over a wide tuning range.

Ces travaux sont issus d’une thèse CIFRE et de la collaboration entre la société Viessmann Faulquemont et le laboratoire de recherche l’Institut Jean Lamour. Ayant pour objectif de fortement réduire les problèmes liés aux hautes températures de stagnation dans les panneaux solaires thermiques, nous présentons une nouvelle génération d’absorbeur solaire intelligent à base de dioxyde de vanadium. Le dioxyde de vanadium, noté VO2, est un matériau présentant une transition métal-isolant (MIT) à une température critique (Tc) de 68°C. Cette transition s’accompagne d’une modification de la structure cristallographique. Le VO2 se trouve sous une forme monoclinique VO2(M) à basse température, et sous une forme rutile VO2(R) à haute température. Ce changement de structure s’accompagne d’une forte modification des propriétés optiques. La synthèse de ces films est réalisée à partir d’une couche de vanadium métallique déposée par pulvérisation. Un recuit d’oxydation-cristallisation est ensuite effectué pour obtenir une couche d’environ 400 nm de dioxyde de vanadium. Afin d’optimiser et d’augmenter la variation d’émissivité (Δε), la température et la durée du recuit sont étudiées. Dans un second temps, un dopage aluminium est réalisé afin d’augmenter l’effet de la transition thermochrome. Après optimisation, le passage au niveau industriel est un succès et des prototypes de taille 1 sont réalisés à partir de la couche thermochrome et de la couche standard afin d’être comparés dans des conditions normales d’utilisation / This work is a CIFRE thesis between VIESSMANN Faulquemont SAS society and the laboratory Institut Jean Lamour. In order to strongly reduce the problems associated with high stagnation temperature, we present a new generation of solar absorbent layers based on a smart thermochromic vanadium dioxide thin film. Vanadium dioxide (VO2) is a material which exhibit a metal insulator transition (MIT) at a critical temperature of 68°C (Tc). The transition is accompanied by a change in crystallographic structure VO2(M), while a rutile-like structure VO2(R) is obtained at high temperature. This structural change induces a drastic modification of the optical properties. The synthesis of vanadium-based films is performed using magnetron sputtering. We proceed to a subsequent annealing in air to form crystalline films of about 400 nm thickness. In order to increase the thermochromic effect of our thin film (Δε) we study the temperature and duration of the annealing. In a second time we try to increase the emissivity switch between the low and high temperature phase by adding an aluminum doping. After optimization, scale up have been successfully done and the optimized parameters have been used to build a prototype of thermochromic selective layer that has been compared to the standard industrial solar absorber

Cette thèse concerne l’étude de l’effet du dopage au chrome sur les propriétés structurales, électriques et optiques des films de dioxyde de vanadium. Ces films V(1-x)CrxO2 (x allant de 0 à 25%) de 110 nm d’épaisseur ont été déposés par dépôt par ablation laser (PLD) multicibles sur substrat saphir c. Ils ont été caractérisés grâce à des techniques d’analyse morphologique, structurale, électrique et optique. Les différentes phases présentes dans les films V(1-x)CrxO2 ont été identifiées par DRX, spectroscopie Raman et comparées au diagramme de phase du matériau massif. Les phases M1, M2 et M3, un mélange M2 + M3 et la phase R ont été identifiées. En revanche la phase M4 n’a pas été détectée pour des dopages supérieurs à 8%, montrant une réelle différence entre diagrammes de phase du matériau massif et des films. Le dopage au chrome a permis d’augmenter la température de transition isolant-métal de 68 à 102°C. En revanche, la dynamique de cette transition, déterminée par mesure de transmission optique ou par mesure de résistivité électrique, est souvent diminuée. Enfin, des dispositifs à deux terminaux à base de films V(1-x)CrxO2 ont été réalisés. Leurs caractérisations courant-tension montrent que le dopage au chrome influence fortement le seuil d’activation de la transition entre les états isolant et métallique. / This thesis presents a study of the effect of chromium doping on structural, electrical and optical properties of thin films of vanadium dioxide. These V(1-x)CrxO2 thin films (x from 0 to 25%) of 110 nm thick have been deposited on c sapphire substrate by multi target Pulsed Laser Deposition method. Their morphological, structural, electrical and optical properties have been studied. Different phases for V(1-x)CrxO2 have been identified by XRD and Raman analysis and compared to those of bulk material. M1, M2, M3, a mixture M2 + M3 and R phases are present. The M4 phase has not been detected for doping above 8%, showing a real difference between phase diagram of bulk and thin films. Chromium doping also increases the metal-insulator transition temperature from 68°C to 102°C. Moreover, the transition dynamics, determined using optical transmission and electrical resistivity measurements, decreases. Finally, two terminal switches based on V(1-x)CrxO2 thin films have been fabricated. Their current-voltage characterization showed that chromium doping affects the activation threshold voltage of the metal to insulator transition.

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur la conception, simulation et réalisation des nouvelles structures des commutateurs hyperfréquences basées sur l’intégration des couches minces des matériaux innovants fonctionnels tels que les matériaux à changement de phase (PCM) et les matériaux à transition de phase (PTM). Le principe de fonctionnement de ces composants repose sur le changement de résistivité présenter par ces matériaux. Nous avons exploité le changement de résistivité réversible du GeTe de la famille des matériaux à changement de phase (PCM) entre les deux états : amorphe à forte résistivité et cristallin à faible résistivité, pour réaliser une nouvelle structure d’un simple commutateur SPST. Ensuite, nous avons intégré ce commutateur dans une nouvelle structure de la matrice de commutation DPDT (Double Port Double Throw) à base de PCM pour l’application dans la charge utile du satellite. Nous avons utilisé la transition isolant-métal présenté par le dioxyde de vanadium (VO2) de la famille des matériaux à transition de phase, pour réaliser une nouvelle structure de commutateur simple à deux terminaux sur une très large bande de fréquence (100 MHz–220 GHz). / The work presented in this manuscript focuses on the design, simulation and realization of new microwave switches structures based on the integration of thin layers of innovative functional materials such as phase change materials (PCM) and phase transition materials. (PTM). The operating principle of these components is based on the change of resistivity present by these materials. We exploited the reversible resistivity change of GeTe of phase change materials family between the two states: amorphous with high resistivity and crystalline with low resistivity to realize a new structure of SPST switch. Then, we have integrated this switch structure on a new structure of DPDT (Double Port Double Throw) switch matrix based on phase change materials for application in satellite payload. We have used the insulatingmetal transition presented by the vanadium dioxide (VO2) of phase transition materials family to realize a new two terminals simple switch structure on a very wide frequency band (100 MHz–220 GHz).

Ces travaux de recherche portent sur la conception et la réalisation de commutateurs RF basées sur l’intégration de matériaux innovants fonctionnels tels que le dioxyde de vanadium (VO2) et les alliages de chalcogénures de types Ge2Sb2Te5 (GST) et GeTe. Le principe de fonctionnement de ces composants repose sur le changement de résistivité que présentent ces matériaux. Le VO2 possède une transition Isolant-Métal (MIT) autour de 68°C à travers laquelle le matériau passe d’un état isolant (forte résistivité) à un état métallique (faible résistivité). La transition MIT présente l’intérêt de pouvoir être initiée sous l’effet de plusieurs types de stimuli externes (thermique, électrique et optique) avec de faibles temps de commutation. Les alliages de types GST et GeTe ont la particularité de commuter réversiblement entre un état amorphe à forte résistivité à un état cristallin à faible résistivité suite à un traitement thermique spécifique. Les commutateurs à base de GST ou de GeTe présentent l'avantage de pouvoir opérer en mode bistable car le changement de résistivité présenté par ces matériaux est de type non volatile. Les composants réalisés ont de bonnes performances électriques (isolation et pertes d’insertion) sur une large bande. Nos travaux de recherche visent à proposer une solution alternative aux solutions classiques (semi-conducteurs et MEMS-RF) pour réaliser des commutateurs RF qui peuvent être par la suite utilisés dans la conception des dispositifs reconfigurables (filtres, Antennes). / This research work focuses on the design and realization of RF switches based on the integration of new materials such as vanadium dioxide (VO2), Ge2Sb2Te5 (GST) and GeTe chalcogenides alloys. The operating principle of these devices is based on the resistivity change presented by these materials. VO2 exhibits a Metal-Insulator transition (MIT) around 68°C for which the material changes from an insulating state (high resistivity) to a metallic one (low resistivity). The MIT transition can be triggered in different ways (thermally, electrically and optically) with low switching time. GST and GeTe alloys have the particularity to be reversibly switched between a high resistive-amorphous state to low resistive-crystalline state, under a specific heat treatment. Thanks to the non-volatile resistivity change presented by these materials, GST/GeTe-based switches are able to operate in bistable mode. The fabricated devices exhibit good electrical performances (insertion loss and isolation) over a broadband. The aim of our work is to propose an alternative solution to conventional technologies (semiconductors and RF-MEMS), to design RF switches that can be used afterward in the design of reconfigurable devices (filters, antennas).

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit traite du développement de dispositifs à base de dioxyde de vanadium VO₂ et de méta-surfaces dans le moyen infrarouge pour des applications passives et une intégration sur des lasers à cascade quantique (QCL). Ce travail a permis l'élaboration de nouvelles conditions de dépôt du matériau à changement de phase VO₂ par ablation laser pulsé à des températures compatibles avec les hétérostructures de III-V utilisées en optoélectronique. Les caractérisations des couches minces déposées montrent un changement de la réflectivité et de la conductivité électrique entre l'état isolant à basse température et l'état métallique à haute température autour de 68°C (341 K). Des développements ont ensuite été menés sur l'emploi d'un réseau de méta-surfaces permettant d'obtenir une couche homogène d'indice de réfraction effectif résonnant. Ces méta-surfaces sont constituées de résonateurs à anneau fendu dont la fréquence de résonance peut être ajustée par le choix de leurs paramètres géométriques et des matériaux les constituant. Une modulation optique de plus de 100cm-1 du pic de la résonance a été obtenue lors de la transition de phase avec des méta-surfaces déposées sur un film de VO₂. Ce résultat est très prometteur pour la conception de dispositifs monolithiques, robustes, compacts, accordables en fréquence et dont les propriétés optiques ne dépendent que de la température de la couche de VO₂.Enfin, ce travail étudie la fonctionnalisation des QCL dans le moyen infrarouge (7-8 µm) par des couches de VO₂ et de méta-surfaces. Il vise à comprendre l’influence des couches intégrées sur les propriétés d’émission. Afin de garantir une bonne interaction entre ces couches et le mode guidé du laser tout en ayant des pertes optiques faibles, des nouveaux guides d'onde ont été modélisés, puis les premiers QCL à base de VO₂ ont été démontrés et une température maximale de fonctionnement de 334 K a été mesurée. / The thesis work presented in this manuscript deals with the development of vanadium dioxide VO₂ and meta-surfaces based devices in the mid-infrared for passive applications and an integration on quantum cascade lasers (QCL).This work enabled the elaboration of new deposition conditions for the VO₂ phase change material by pulsed laser ablation at temperatures compatible with III-V heterostructures used in optoelectronics. The characterizations of the VO₂ coated thin films show a change in reflectivity and in electric conductivity between the insulating state at low temperature and the metallic state at high temperature around 68°C (341 K).Developments were then carried out on the use of a meta-surfaces array in order to obtain an homogeneous layer of resonant effective refractive index. These meta-surfaces are constituted by split-ring resonators, whose resonance frequency can be adjusted by choosing their geometric parameters and the materials they are made of. An optical modulation of more than 100cm-1 of the resonance peak has been obtained during the phase transition with meta-surfaces deposited on a VO₂ layer. This result is very promising for the conception of monolithic, robust, compact, frequency tunable devices and whose optical properties only depend on the VO₂ layer temperature.Finally, this work studies the functionalization of mid-infrared QCL (7-8 µm) with VO₂ and meta-surfaces layers. It aims at understanding the influence of the integrated layers on the emission properties. In order to ensure a good interaction between these layers and the laser guided mode while having low optical losses, new waveguides were modeled, then the first VO₂ based QCL have been demonstrated and a maximum operating temperature of 334 K has been measured.

Ce manuscrit présente une synthèse de mes activités de recherche, réalisées principalement au sein du département Minacom du laboratoire XLIM. Fortement multidisciplinaires, elles sont orientées vers la réalisation de dispositifs et systèmes originaux (intégration des matériaux innovants ou développement des dispositifs MEMS pour l'optique) dédiés à la microélectronique (basses et hautes fréquences) et au domaine de l'optique. Après une première partie résumant l'ensemble des activités de recherche et d'encadrement doctoral, la deuxième partie du manuscrit est dédiée à la présentation explicite des travaux de recherche. Tout d'abord, nous présentons le développement des composants MOEMS (ou MEMS optiques) et leur intégration (comme modulateurs actifs et, en même temps, miroirs de fond de cavité) dans des systèmes lasers à fibre. Nous montrons que l'association de ces modulateurs compacts et rapides au déclenchement de cavités lasers courtes, permet d'obtenir des impulsions laser très courtes, en régime nanoseconde. Ces microcomposants offrent un fort potentiel de miniaturisation et de réduction du coût des sources lasers impulsionnelles à fibre optique et montrent également leur capacité à atteindre des fréquences de fonctionnement supérieures au mégahertz, compatible au régime à verrouillage de modes d'une cavité laser. Leur robustesse et leur faible niveau d'activation (10 V-50 V) en font de bons candidats pour remplacer les solutions de modulations actuels (électro- ou acousto-optiques). Par la suite, nos recherches se sont étendues à l'association des sources lasers avec les propriétés remarquables des dispositifs MOEMS (compacité, faibles pertes d'insertion, achromaticité etc.) pour créer des systèmes lasers impulsionnels complexes : lasers fibrés avec des impulsions nanosecondes de forte puissance crête avec fréquences de récurrence ajustable, systèmes lasers bi- longueur d'onde, système de sélectivité spectrale en utilisant une source de continuum et une matrice de micro- miroirs, multiplexage temporel et spectral de sources lasers à MOEMS pour un fonctionnement à haute cadence etc. Les résultats obtenus permettent d'envisager des développements innovants dans des domaines comme la bio- photoniques (diagnostic ou tri cellulaire, tomographie optique cohérente), télécommunications, microscopie confocale, radar optique, etc. La suite du travail présenté dans ce mémoire concerne la conception et la fabrication de dispositifs reconfigurables pour la microélectronique basses et hautes fréquences (du DC aux fréquences THz) basés sur la transition réversible semi-conducteur- métal (Metal- Insulator Transition - MIT ou transition de Mott) d'un matériau " intelligent " : le dioxyde de vanadium, VO2. Actuellement, les matériaux intelligents font l'objet de beaucoup d'attention de la part de la communauté scientifique à cause de leurs caractères évolutifs et adaptatifs qui font d'eux des candidats potentiels pour de nombreuses applications (transmission de l'information, optoélectronique, matériaux artificiels). Nous avons utilisé les propriétés exceptionnels du matériau VO2 en couches minces pour concevoir et développer de nouveaux concepts de commutateurs et de dispositifs rapides fonctionnant dans les domaines DC, RF -micro-ondes, Térahertz et optique. Nous montrons que dans le couches minces de VO2 obtenus par ablation laser (PLD) ou par évaporation à faisceaux d'électrons, cette transition MIT est accompagnée par un changement rapide et remarquable des propriétés électriques et optiques du matériau (e.g. changement de quatre à cinq ordres de grandeur de résistivité entre les deux états). La transition MIT dans le matériau VO2 peut être initiée de différentes manières : thermiquement, électriquement ou optiquement. Dans un premier temps, nous exploitons l'important changement des propriétés électriques/ diélectriques de ce matériau soumis à un actionnement thermique et électrique pour réaliser des commutateurs micro-ondes en technologie coplanaire, et ensuite des dispositifs plus complexes comme des limiteurs de puissance large bande, des filtres micro-ondes à rejection de bande et à fréquences accordables ou encore des composants hybrides type métamatériaux accordables dans le domaine THz. Les composants intégrant le matériau VO2 présentent des propriétés intéressantes, notamment sur le plan des caractéristiques électriques ou ils montrent un comportement très large bande et de fortes isolations. Ils peuvent se positionner comme des solutions alternatives intéressantes aux technologies classiques (semi-conducteurs et dispositifs électromécaniques) utilisées dans la fabrication de composants millimétriques et submillimétriques. A un niveau plus fondamental (mais avec des applications potentiels très intéressantes), nous avons caractérisé les propriétés électriques fortement non-linéaires des couches minces de VO2 (apparition du phénomène de résistance négative différentielle (NDR) dans leurs caractéristiques courant-tension) et nous avons mis en évidence, la génération d'auto-oscillations électriques dans des dispositifs à base de films de VO2. Ces résultats nous permettent d'envisager dans un futur proche plusieurs directions de recherche innovantes basées sur l'utilisation des matériaux présentant des transitions MIT ou des transitions de phase, sous la forme de couches minces ou de nanostructures (nano-agrégats, nano-fils etc.). La dernière partie du mémoire est dédié aux perspectives de recherche à moyen et long terme en systématisant les directions de recherches que nous poursuivrons dans les prochaines années autour de l'étude et l'intégration de matériaux à propriétés accordables (couches minces ou nanostructures) dans des dispositifs innovants pour des applications comme le traitement de l'information, l'énergie ou la détection de grandeurs physiques variées.