Dans les dispositifs électronique, il est prochainement attendu que la réduction de la taille des composant atteingne prochainement la limite quantique. De ce fait, manipuler l'information quantique apparait comme un nouveau challenge. Les Qubits supraconducteurs basé sur la physique du solide et les Jonctions Josephson sont des systèmes prometteurs qui profitent des avantage des technologies de la micro-électronique. Toutefois, le temps de décohérence des états quantique est encore un facteur limitant. Cette limitation est généralement attribuée à la faible qualité cristalline des matériaux utilisés (défauts cristallins, impuretés). La technique d'épitaxie par jets moléculaires a été utilisé pour la croissance de couches minces de rhénium de haute qualité cristalline sur des substrat de saphir dans un environnement Ultra Haut Vide. Le misfit existant entre les réseaux cristallins du rhénium et du saphir est suffisamment bas pour permettre une croissance épitaxiale du rhénium sur le saphir, mais également une croissance d'une barrière tunnel en oxyde d'aluminium monocristallin sur la couche de rhénium elle-même. Afin d'améliorer la qualité cristallographique de la couche de rhénium, des simulations et de nombreuses techniques de caractérisation ont été utilisées. Puis les propriétés supraconductrices des films de rhénium ont été étudié à des températures ultra basses afin de comparer ces propriétés à la qualité cristallographique de nos films. / In electronic devices, it is expected that the quantum limit will soon be reached with decreasing system size. Therefore, manipulating quantum information appears as a new challenge. Solid state Qubits based on superconducting Josephson junction are promising systems which take advantage of microelectronics technology. However, decoherence time of the quantum states is still a limiting factor. This has been generally ascribed to the poor crystallographic quality of the materials used so far (crystallographic defects, impurities). The Molecular Beam Epitaxy (MBE) technique may be used to grow rhenium (Re) films of high quality on sapphire substrates in an Ultra High Vacuum (UHV) environment. So far, the misfit between Re and sapphire is low enough to permit the growth of a single crystal aluminium oxide thin film on top of the Re layer. In order to improve the crystallographic quality of the Re film, some simulations and several characterizations techniques have been used. Then, the superconducting properties of rhenium films have been studied at Ultra Low Temperature in order to compare with their crystallographic qualities.

La seconde génération de rubans supraconducteurs utilisant une couche déposée et épitaxiée de supraconducteur YBa2Cu3O7-x (YBCO) est étudiée de façon intense (coated conductors). Une architecture simple à bas coût a été choisie, avec une seule couche tampon de La2Zr2O7 (LZO), épitaxiée sur un ruban de Ni95W5 texturé bi-axialement. L'objectif de cette thèse était d'identifier les paramètres pertinents du processus de texturation sur des rubans d'alliage Ni95W5 laminés par APERAM à partir d'une coulée industrielle et ceux contrôlant l'épitaxie de la couche tampon de (LZO). Le rôle de la fonctionnalisation du substrat pour l'épitaxie de cet oxyde sur la surface du métal a été en particulier étudié. Parallèlement, la faisabilité d'un procédé de recuit de texturation et de fonctionnalisation du substrat métallique au défilé, en vue d'un traitement continu pour un développement industriel, a été étudiée.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt.

Techn. University, Diss., 2004--Dresden.

Dans les dispositifs électronique, il est prochainement attendu que la réduction de la taille des composant atteingne prochainement la limite quantique. De ce fait, manipuler l'information quantique apparait comme un nouveau challenge. Les Qubits supraconducteurs basé sur la physique du solide et les Jonctions Josephson sont des systèmes prometteurs qui profitent des avantage des technologies de la micro-électronique. Toutefois, le temps de décohérence des états quantique est encore un facteur limitant. Cette limitation est généralement attribuée à la faible qualité cristalline des matériaux utilisés (défauts cristallins, impuretés). La technique d'épitaxie par jets moléculaires a été utilisé pour la croissance de couches minces de rhénium de haute qualité cristalline sur des substrat de saphir dans un environnement Ultra Haut Vide. Le misfit existant entre les réseaux cristallins du rhénium et du saphir est suffisamment bas pour permettre une croissance épitaxiale du rhénium sur le saphir, mais également une croissance d'une barrière tunnel en oxyde d'aluminium monocristallin sur la couche de rhénium elle-même. Afin d'améliorer la qualité cristallographique de la couche de rhénium, des simulations et de nombreuses techniques de caractérisation ont été utilisées. Puis les propriétés supraconductrices des films de rhénium ont été étudié à des températures ultra basses afin de comparer ces propriétés à la qualité cristallographique de nos films. / In electronic devices, it is expected that the quantum limit will soon be reached with decreasing system size. Therefore, manipulating quantum information appears as a new challenge. Solid state Qubits based on superconducting Josephson junction are promising systems which take advantage of microelectronics technology. However, decoherence time of the quantum states is still a limiting factor. This has been generally ascribed to the poor crystallographic quality of the materials used so far (crystallographic defects, impurities). The Molecular Beam Epitaxy (MBE) technique may be used to grow rhenium (Re) films of high quality on sapphire substrates in an Ultra High Vacuum (UHV) environment. So far, the misfit between Re and sapphire is low enough to permit the growth of a single crystal aluminium oxide thin film on top of the Re layer. In order to improve the crystallographic quality of the Re film, some simulations and several characterizations techniques have been used. Then, the superconducting properties of rhenium films have been studied at Ultra Low Temperature in order to compare with their crystallographic qualities.

Ce travail de thèse porte sur l'intégration par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) de matériaux III-Sb sur substrat de silicium. Une étude bibliographique très détaillée a tout d'abord été menée afin de comprendre les enjeux et d'évaluer les différentes approches permettant de diminuer la densité de défauts dans les couches III-V épitaxiées sur Si. Dans la deuxième partie, je détaille les travaux réalisés pour mettre au point une technique de préparation de la surface du substrat de silicium reproductible, efficace et robuste, et je montre son impact sur les propriétés d'hétérostructures III-Sb épitaxiées sur Si. Dans la dernière partie, je présente les différentes études menées pour évaluer l'impact de la désorientation du substrat et de l'épaisseur d'une couche tampon GaSb sur la qualité des hétérostructures épitaxiées sur Si, ces deux paramètres étant importants dans une perspective d'intégration photonique/microélectronique. Ensuite, je présente l'étude complète de l'optimisation des conditions de croissance d'une couche de nucléation AlSb ou Al. Je montre que les meilleures propriétés des hétérostructures sont obtenues pour une couche de nucléation de 4 monocouches (MC) AlSb réalisée à 450°C ou 1 MC Al déposée entre 450 et 500°C. Enfin, je propose des pistes d'optimisation. / This thesis deals with the integration of III-Sb based material on silicon substrate by Molecular Beam Epitaxy (MBE). A first bibliographic study has been led in order to understand the stakes and to evaluate the different approaches to decrease the defects density in the III-V epitaxial layers. In the second chapter, I give the details of the work done to realize a reproducible, efficient and robust silicon substrate surface preparation and I show its impact on the III-Sb heterostructures epitaxially grown on Si. In the last part of this thesis, I first present the studies led to evaluate the impact of the substrate miscut and of the GaSb buffer, these two parameters being very important in a photonic/microelectronic integration perspective. Then, I describe the complete optimization study of the growth conditions of AlSb or Al nucleation layers. I show that the best heterostructures properties are obtained for a nucleation layer of 4 monolayers (ML) of AlSb epitaxially grown at 450°C or 1 ML of Al deposited between 450 and 500°C. Finally, I propose some ways for optimization.

La seconde génération de rubans supraconducteurs utilisant une couche déposée et épitaxiée de supraconducteur YBa2Cu3O7-x (YBCO) est étudiée de façon intense (coated conductors). Une architecture simple à bas coût a été choisie, avec une seule couche tampon de La2Zr2O7 (LZO), épitaxiée sur un ruban de Ni95W5 texturé bi-axialement. L’objectif de cette thèse était d’identifier les paramètres pertinents du processus de texturation sur des rubans d’alliage Ni95W5 laminés par APERAM à partir d’une coulée industrielle et ceux contrôlant l’épitaxie de la couche tampon de (LZO). Le rôle de la fonctionnalisation du substrat pour l’épitaxie de cet oxyde sur la surface du métal a été en particulier étudié. Parallèlement, la faisabilité d’un procédé de recuit de texturation et de fonctionnalisation du substrat métallique au défilé, en vue d’un traitement continu pour un développement industriel, a été étudiée. / The second generation of superconducting tapes using a deposited layer and epitaxialsuperconductor YBa2Cu3O7-x (YBCO) is studied intensively (coated conductors). A simple lowcostarchitecture was chosen, with one buffer layer La2Zr2O7 (LZO), epitaxially grown on aribbon of biaxially textured Ni95W5. The aim of this thesis was to identify the relevant processparameters texturing ribbons Ni95W5 alloy rolled by APERAM from an industrial casting, andthose controlling the epitaxial buffer layer (LZO). The role of the functionalization of thesubstrate for epitaxy of the oxide on the metal surface has been particularly studied. Meanwhile,the feasibility of an annealing process and functionalization texturing of the metal substrate rollto roll, in view of a continuous treatment for an industrial development, was studied.

L’hydrogénation du CO2 par voie catalytique hétérogène représente une stratégie pertinente pour atténuer les émissions. Cette thèse a pour but de contribuer à la compréhension des facteurs physico-chimiques qui déterminent l’activité de catalyseurs Ru/TiO2 en conditions douces (= 200 °C, 1 atm). Des nanoparticules de RuO2 de 2 nm sont utilisées comme précurseurs de la phase active de Ru métallique. Ces nanoparticules calibrées sont combinées avec plusieurs supports de TiO2 présentant diverses cristallinités, textures, stabilité et compositions, dans le but de comprendre les paramètres qui dictent l’activité des catalyseurs Ru/TiO2. Les interactions spécifiques entre le support de TiO2 et les nanoparticules de RuO2 sont mises en évidence via différentes techniques avancées incluant la tomographie et la microscopie électronique en transmission environnementale à pression atmosphérique. Il apparait que le paramètre clé conférant une activité catalytique élevée est la stabilisation épitaxiale de RuO2 sur le TiO2 rutile lors de l’étape d’activation qui précède la réduction vers la forme Ru métallique. / The hydrogenation of CO2 performed through heterogeneous catalysis is a pertinent strategy for mitigating CO2 emissions. This thesis aims to contribute to the understanding of the physico-chemical factors related to the catalytic performance of Ru/TiO2 catalysts at mild conditions (= 200 °C, 1 atm). Pre-synthesized 2 nm-RuO2 nanoparticles (NPs) are used to serve as precursors for active metallic Ru. These calibrated NPs are coupled with various tailor made TiO2 supports with different crystallinity, textural properties, stability and composition to understand parameters that dictate the activity of Ru/TiO2 catalysts. The specific RuO2-TiO2 interactions and RuO2 NPs migration phenomenon are demonstrated using various techniques including the state-of-the-art tomography and environmental transmission electron microscopy at atmospheric pressure. The important parameter for the better catalytic performance is found to be the epitaxial stabilization of RuO2 on rutile TiO2 prior to the formation of active Ru phase.

L’intégration monolithique d’oxydes ferroélectriques sur substrats semi-conducteurs pourrait permettre l'ajout de nouvelles fonctionnalités sur puces de la nanoélectronique. L'utilisation d'un ferroélectrique est en particulier intéressante pour la réalisation de dispositifs à basse consommation d'énergie. Toutefois, leur intégration se heurte à un certain nombre de verrous scientifiques et technologiques tels que le contrôle de l'interface oxyde/semi-conducteur, l’instabilité de la polarisation ferroélectrique en couches minces ou encore la compatibilité de l'intégration avec les procédés industriels actuels. Les principaux objectifs de ma thèse ont été : l'optimisation de la croissance MBE de BaTiO3 épitaxié sur Si et Si1-xGex en termes de structure cristalline et de propriétés ferroélectriques, l’étude des effets de taille sur la ferroélectricité et le démarrage de l’intégration de BaTiO3 dans des dispositifs à effet de champ. Différentes conditions de croissance sur substrats de silicium, en particulier la température et la pression d'oxygène P(O2), ont été étudiées. Les analyses de diffraction des rayons X (XRD) combinées à des techniques avancées de microscopie électronique en transmission (STEM-HAADF, GPA, EELS) ont permis d'établir une corrélation, à l'échelle locale, entre l'orientation de la maille tétragonale et la composition cationique des films. La ferroélectricité de films orientés axe c, d'épaisseur 16-20 nm, préparés sous des pressions partielles P(O2) de 1-5 x 10-7 Torr, à 450-525°C, et avec un recuit post-dépôt sous oxygène, a été mise en évidence par microscopie à force atomique en mode piézoélectrique (PFM). Nous avons également démontré la ferroélectricité de couches ultra-minces (1.6, 2.0, 2.8, 3.2 et 4.0 nm) par PFM et par des mesures complémentaires de microscopie à force atomique en mode Kelvin (permettant d'exclure un mécanisme d'origine purement électrochimique). Pour 4, 5, 7 et 8 monocouches, l'amplitude de la polarisation pointant vers l'interface supérieure (Pup) est supérieure à celle de la polarisation Pdown. Ceci est attribué à des régions non ferroélectriques ou à des régions polaires dont la polarisation est ancrée aux interfaces. Nous avons ensuite étudié la croissance de BaTiO3 épitaxié sur substrats Si1-xGex, ce qui constitue une approche inédite, particulièrement intéressante pour moduler les contraintes, notamment en vue des futurs transistors. Afin de comprendre l'effet de la présence de Ge, la croissance de BaTiO3 sur Si0.8Ge0.2 contraint sur Si(001) a été étudiée. Le suivi de la croissance in-situ par spectroscopie de photoélectrons X et l’analyse de la structure cristalline et de l’interface par XRD et STEM-HAADF ont révélé l'importance de la préparation du substrat. La passivation de Si0.8Ge0.2 avec des atomes de Ba permet l’épitaxie directe d’un film de BaTiO3 orienté (112), ceci par l'intermédiaire d'une couche d'interface épitaxiée, identifiée comme étant le silicate de structure orthorhombique Ba2SiO4. Ce silicate est épitaxié selon deux orientations dans le plan de Si0.8Ge0.2, ce qui conduit aux deux orientations <110> et <111> observées pour BaTiO3 dans le plan du substrat. Enfin, en collaboration avec IBM Research, une voie d’intégration basse température « gate-last » a été développée pour intégrer les couches minces de BaTiO3 dans des dispositifs à effets de champ sur Si (condensateurs et transistors). Les films de BaTiO3 ont été déposés par MBE sur des substrats pré-structurés. Un procédé approprié a été choisi pour le dépôt de l'électrode TiN et pour la lithographie/gravure. Certains empilements, composés d'une matrice amorphe et de nano-grains dans les structures capacitives, présentent un comportement ferroélectrique (Tc~105°C). Cette première démonstration d’une capacité ferroélectrique de BaTiO3 "quasi-amorphe" sur Si à permittivité relative modérée (~25) et à faible courant de fuite est particulièrement intéressante. [...] / No abstract

Dans ce travail de thèse j’ai étudié la structure et la réactivité des couches minces des phthalocyanine de lutétium déposées sur des surfaces métalliques. La connaissance de la structure des couches minces épitaxées des matériaux organiques est importante pour la conception des dispositifs d’électronique organique. En effet la mobilité des porteurs de charge est très influencée par l’organisation moléculaire et l’ordre de la couche. La deuxième partie de ce travail concerne la réactivité des couches minces de ces molécules avec les gaz atmosphériques, ce qui est essentiel à la stabilité des dispositifs.Les couches minces ont étés préparées par évaporation thermique sous ultra vide et ont étés analysées par Microscopie a scansion de tunnel (STM), diffraction des rayons x (XRD), photoémission x (XPS) et Spectroscopie d’absorption x (NEXAFS). La structure des couches minces des LuPc2 déposées sur Au(111) a été trouvée. Les molécules adoptent une structure β et ressentent de l’effet modèle du substrat, comme prédit par les relations épitaxies. La morphologie de surface a été également trouvée à l’échelle moléculaire, y compris l’empillement et l’orientation des domaines.La faible réactivité de ces couches minces avec des gaz atmosphérique, en particulier oxygène et eau, a été prouvée. Le site d’absorption des molécules des gaz a été localisé non pas sur l’ion central mais plutôt sur le macrocycle organique. Il a été démontré aussi que ces molécules sont plus réactives vers l’oxygène moléculaire que vers l’eau. / In this thesis work I studied the structure and reactivity of Lutetium bis-phthalocyanine (LuPc2) thin films deposited on metallic surfaces. Knowing the structure of epitaxial organic thin films is important to design devices based on organic electronics, because carrier mobility, critically depends on the molecular configuration and thin film ordering. The second part of the work deals with the reactivity of molecular thin films towards atmospheric gases which is crucial for lifetime of the device. We chose LuPc2 because, due to the double decker molecular geometry they should present a different reactivity respect to single decker phthalocyanine, which are widely used in devices.The thin films were prepared by thermal evaporation under ultra-high vacuum conditions and analysed by means of Scanning Tunnelling Microscopy (STM) and X-ray Diffraction (XRD), X-ray Photoemission Spectroscopy (XPS) and Near Edge X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy (NEXAFS).We resolved the structure of a LuPc2 thin film deposited on Au(111), showing that the molecules adopt a β structure and demonstrated the templating effect of the substrate via the epitaxial relations with the overlayer. We then present the surface morphology at the molecular scale, including stacking and domain orientations.We tested the reactivity of these thin films towards atmospheric gases, in particular oxygen and water, showing a low reactivity and managing to demonstrate the adsorption sites, which are not the central cation, but rather on the macrocycle. We showed how oxygen is a greater threat to the film stability than water.