L'industrie de la téléphonie mobile est soumise à des contraintes de miniaturisation, et requiert de plus en plus la présence d'éléments variables dans les circuits intégrés. Le but de ce travail de thèse a été de réaliser une capacité variable pour une application de puissance dans un téléphone portable. Les matériaux ferroélectriques à structure pérovskite s'avèrent être potentiellement intéressants pour ce type d'application. Nous nous sommes donc intéressés à l'intégration du titanate de strontium et baryum ((Ba,Sr)TiO3) dans une capacité fonctionnant en gamme Radio Fréquences (typiquement autour de 2 GHz).<br /><br />La première partie du travail a été d'étudier les propriétés structurales et diélectriques du BST, avec pour but de les relier entre elles. Différentes études ont été menées dans cette partie, notamment sur les effets de taille de grains, de contraintes (homogènes et inhomogènes) dans les couches épaisses, de taille sur des couches minces de plusieurs épaisseurs, ou encore d'une cristallisation partielle sur la microstructure et les performances du matériau.<br /><br />Grâce à l'étude menée au niveau du matériau, nous avons pu proposer une intégration dans une architecture de capacité hybride RF/DC. L'optimisation du dépôt de BST a été faite par plans d'expériences, puis la réalisation de plusieurs dispositifs a permis d'observer différents effets sur le composant. L'influence du substrat de Silicium a été réduite grâce à différentes solutions. L'effet du recuit de cristallisation a été étudié sur la capacité RF. Enfin, nous avons montré la possibilité d'actionner indépendamment le matériau ferroélectrique par le biais d'électrodes DC.

Un matériau, tel que défini par l'Académie Française est une " matière utilisée pour fabriquer, construire quelque chose "1. De ce point de vue, et très certainement dans l'acception générale de ce mot, un matériau est donc perçu comme un moyen plutôt qu'une fin, une ressource plutôt qu'un produit. Le matériau est néanmoins un objet de recherche couvrant une surface disciplinaire conséquente, et se situant au coeur de l'activité de nombreux chercheurs. Dans un nombre significatif de ces activités, le matériau est effectivement un moyen plus qu'une finalité. Ainsi dans les sciences du vivant, la capacité de greffer des molécules biologiquement actives à la surface de certains matériaux permet de développer de nouvelles méthodes de délivrance des médicaments. En physique des particules, la réponse de certains matériaux à des perturbations externes (rayonnements, particules...) est exploitée pour la conception de détecteurs de très grande sensibilité (scintillateurs, bolomètres...). Pour l'archéologue, la caractérisation des archéomatériaux renseigne à la fois sur leur provenance (donc le commerce dont ils ont pu faire l'objet), et la manière dont ils ont été élaborés (donc le niveau technologique de la culture qui les a produits). L'archéologie a d'ailleurs significativement allongé l'histoire des matériaux, à travers la récente découverte d'un atelier de fabrication de pigments vieux de 100 000 ans2. Comme dans les cas précédents, ces pigments préhistoriques étaient avant tout des moyens, permettant l'expression d'une culture. Le matériau est néanmoins la finalité de nombreuses problématiques de recherche qui s'attachent à l'améliorer, le développer, l'optimiser. Les matériaux sont bonifiés par des conceptions de plus en plus élaborées (chimie douce, couches minces, croissance cristalline, mais aussi frittage flash, synthèse micro-ondes...). Leurs propriétés, qu'il s'agisse de matériaux de structure ou fonctionnels, sont de plus en plus finement contrôlées, ajustées (par le contrôle ou l'utilisation des défauts par exemple), pour répondre aux contraintes de leur mise en oeuvre ou au développement de nouvelles applications...

Les transformateurs piézoélectriques se positionnent aujourd’hui comme une alternativetechnologique séduisante face aux solutions classiquement utilisées pour la génération desplasmas froids. Leur haute permittivité, leur faible tension d’alimentation et leur capacité deminiaturisation en font une solution sérieuse et originale pour de nombreuses applications faiblespuissances, notamment dans le domaine biomédical pour la stérilisation, le traitement de surfaceet la décontami-nation des instruments médicaux. Dans le cadre d'un fonctionnement engénérateur plasma, la conversion électromécanique au sein du transformateur s’accompagne depertes mécaniques et diélectriques, souvent converties en chaleur. À ces effets s'ajoute l’influenceproprement dite de la décharge sur le comportement électrique du dispositif. L’évolutiondynamique et fortement non-linéaire de la décharge entraine un comportement méconnu desgrandeurs électriques. Par conséquent, l’étage d’alimentation du transformateur constitue un sujetd’étude au même titre que le transformateur lui-même. De plus, étant donné la configuration duprocessus de génération, qui positionne le matériau piézoélectrique comme source et siège de ladécharge plasma, il devient nécessaire d’analyser la viabilité du dispositif. L’ionisation du milieugazeux environnant le générateur provoque des effets électroniques complexes, susceptiblesd’entrainer des dépôts de matière à la surface du matériau ou d’en éroder la surface. C’est dansce cadre, à l’interface entre le génie électrique et la science des matériaux, que s’articule cettethèse. Une première partie est destinée au développement d’un outil de commande numérique dugénérateur par une boucle de verrouillage de phase, assurant sa continuité de fonctionnementface aux variations des conditions opératoires. Par la suite, une modélisation du générateurplasma dans des configurations proches des décharges à barrières diélectriques est effectuée ;des simulations permettent une estimation de la puissance de décharge à partir d’uneidentification expérimentale des paramètres du modèle. Dans un deuxième temps, nouscherchons à établir une corrélation entre la structure du matériau et ses propriétés électriques ens’appuyant sur une méthodologie de caractérisation multi-échelle, avant et après déchargeplasma. L'étude se focalise principalement sur l'évolution en surface de la structure cristalline et lacomposition chimique, en liaison avec les propriétés fonctionnelles du transformateur aprèsgénération de la décharge. Enfin, une étude en température porte sur l’investigation des effetsd’auto-échauffement du générateur dans ce mode de fonctionnement

L'électronique organique représente une alternative réaliste aux technologies conventionnelles à base de silicium par le design, la synthèse et la mise en oeuvre des matériaux organiques fonctionnels dans des dispositifs légers et flexibles. Les matériaux organiques, tels que les petites molécules ou les polymères organiques, sont avantageux pour leur faible coût, leur flexibilité et leur facilité de traitement. Grâce aux avantages liés à l'utilisation de matériaux organiques, en termes économiques et de gain de temps, l'électronique organique est devenue un domaine innovant qui s'applique aux technologies de l'énergie, de l'environnement, de la santé, de l'information et de la communication.L'électronique organique est issue de la découverte de polymères dotés de fonctionnalités semi-conductrices. Cependant, il ne faut pas négliger une autre classe de polymères exceptionnels, les polymères ferroélectriques. La nature électroactive des polymères ferroélectriques, qui sont également pyroélectriques et piézoélectriques, combinés aux avantages intrinsèques des polymères, les a désignés comme éléments constitutifs d’une gamme étendue de dispositifs électroniques organiques.La famille de polymères ferroélectriques la plus connue est celle du poly(fluorure de vinylidène) P(VDF) et de son copolymère avec le trifluoroéthylène, P(VDF-co-TrFE). La récupération d'énergie, le stockage et la détection de données, principales applications de l'électronique organique, peuvent potentiellement tous être réalisés avec ces matériaux fonctionnels exceptionnels. La ferroélectricité étant une propriété dépendant de la structure, il est indispensable de mieux comprendre les relations réciproques entre la structure et les propriétés ferroélectriques finales afin d'améliorer les applications existantes des polymères ferroélectriques en électronique organique et de promouvoir l'introduction du P(VDF-co-TrFE) dans de nouvelles applications.P(VDF-co-TrFE) en tant que polymère semi-cristallin possède des propriétés cristallines sensibles au traitement thermique. Puisque seules les régions cristallines contribuent a le commutation électronique de la polarisation et non les amorphes, le degré de cristallinité est un facteur clé pour moduler les propriétés ferroélectriques. En autre, l'orientation des cristallites ainsi que la présence de défauts dans les cristallites sont des paramètres cruciaux qui jouent un rôle important dans la définition des performances finales des dispositifs dans lesquels P(VDF-co-TrFE) est incorporé. Tel est l'objectif de cette thèse: atteindre une compréhension exhaustive des relations traitement-structure-fonction qui serviront d'outil pour moduler les performances des dispositifs ferroélectriques.De plus, les applications potentielles de P(VDF-co-TrFE) en électronique organique sont explorées en examinant sa mise en oeuvre dans: (1) des capteurs médicaux à cathéter piézoélectrique destinés à mesurer la fonction cardiaque et éventuellement à détecter maladies cardiaques et (2) dispositifs électroniques dans lesquels P(VDF-co-TrFE) est mélangé avec le polymère poly(3-hexylthiophène) semi-conducteur, P3HT. Ce dernier a déjà été appliqué dans les diodes à mémoire ferroélectrique non volatile et l’utilisation potentielle dans le champ de l’organique photovoltaïque est explorée. / Organic electronics represent a realistic alternative to conventional silicon-based technologies through the design, synthesis and implementation of functional organic materials into light and flexible devices. Organic materials, such as small molecules or organic polymers, are advantageous for their low-cost, flexibility and easy processing. Thanks to the economical and timesaving advantages, organic electronics have emerged as an innovative field with application in energy, environment, health, information and communication technologies.Organic electronics originates from the discovery of polymers with semiconducting functionalities. However, one should not neglect another class of outstanding polymers, the ferroelectric polymers. The electroactive nature of ferroelectric polymers, which are also pyroelectric and piezoelectric, combined with the intrinsic advantages of polymers have designated them as constituent elements of a widespread range of organic electronic devices. The most well-known family of ferroelectric polymers is that of poly(vinylidene fluoride), P(VDF), and its copolymers with trifluoroethylene, P(VDF-co-TrFE). Energy harvesting, data storage and sensing, main applications of organic electronics, can potentially all be realised using these exceptional functional materials.Since ferroelectricity is a structure-dependent property an insight into the interrelations between structure and final ferroelectric properties is indispensable in order to improve existing applications of ferroelectric polymers in organic electronics and to promote the introduction of P(VDF-co-TrFE) in new application fields. P(VDF-co-TrFE) as semi-crystalline polymer possess crystalline properties which are sensitive to thermal treatment. Since only the crystalline regions contribute to ferroelectric switching and not the amorphous ones, the degree of crystallinity is a key factor to modulate the ferroelectric properties. Moreover, crystallites orientation as well as the presence of defects within the crystallites are crucial parameters playing an important role in defining the final performance of the devices in which P(VDF-co-TrFE) is incorporated.Herein stands the aim of this thesis: reach an exhaustive understanding of processing-structure-function relationships that will serve as tool to modulate ferroelectric devices performances.Going one step further, the potential applications of P(VDF-co-TrFE) in organic electronics are explored by investigating it in: (1) medical piezoelectric catheter sensors for measuring cardiac function and eventually for detecting cardiac disease and (2) electronic devices in which P(VDF-co-TrFE) is blended with the semiconducting polymer poly(3-hexylthiophene), P3HT. The latter has already been applied in non-volatile ferroelectric memory diodes and the potential use in organic photovoltaics is explored.

Face à la volonté d’intégrer une quantité toujours plus importante de nouveaux services au sein des terminaux mobiles de nouvelle génération et afin de répondre à leurs contraintes d’encombrement, des nouveaux concepts d’antennes intelligentes font l’objet de nombreuses recherches. Parmi les solutions proposées dans la littérature, la technique consistant à charger l’antenne par un matériau aux propriétés commandables apparaît particulièrement intéressante puisque elle cumule les effets de miniaturisation et d’agilité. Le travail de cette thèse concerne l’intégration des films minces La-Ti-O-N et BST dans des antennes miniatures et agiles en fréquence. Pour cela, une étude systématique des propriétés diélectriques (constante, tangente de pertes et accordabilité) des films La-Ti-O-N a été réalisée en basses et hautes fréquences. Ces propriétés sont fonction des caractéristiques structurales des films, elles-mêmes issues de la nature du substrat utilisé et des conditions de dépôt. En parallèle, une étude sur l’intégration de ces matériaux dans des structures rayonnantes pour atteindre l’agilité souhaitée a été menée. De premiers démonstrateurs d’antennes miniatures et reconfigurables à base des films minces La-Ti-O-N et BST ont été réalisés et caractérisés. / Given the desire to integrate a large number of new services in latest generation of hand held devices and in order to meet their dimensional constraints, new concepts of smart antennas are considered to be the subject of many researches. Among several solutions mentioned in the bibliography, the technique of loading the antenna with tunable material is particularly interesting because it combines the effects of miniaturization and tunability. The studies in this thesis focus on the integration of La-Ti-O-N and BST thin films in antenna conception for miniaturization and agility in frequency. A study of dielectric properties (permittivity, loss tangent and tunability) of La-Ti-ON thin films was realized. These properties are found to be depending on the structural characteristics of the thin films, which derived from the nature of the substrate and the deposition conditions. In the mean time, another study for the integration of these materials in radiating structures to achieve agility in frequency was carried out. Demonstrations of miniaturized and reconfigurable antennas based on La-Ti-ON and BST thin films were fabricated and characterized.

Au cours de ces travaux de thèse, la mésostructure et le comportement électrique/photoélectrique de mélanges de polymères semi-conducteur et ferroélectrique en films minces ont été étudiés pour des applications en électronique organique. Les propriétés de semi-conduction du P3HT et de ferroélectricité du P(VDF-TrFe) ont été associées au sein d’une même couche active. Il a été observé que le développement d’une morphologie de la couche active en film mince présentant des domaines bi-continus permet de conserver les propriétés intrinsèques des deux matériaux. Des dispositifs de type stockage d’informations ont été réalisés à partir de la couche active composée de 10 % P3HT – 90 % P(VDF-TrFe) et la modulation des propriétés d’injection des dispositifs par le champ ferroélectrique a été étudiée. Des cellules photovoltaïques ont également été réalisées à partir de cette couche active qui présente des propriétés optoélectroniques qui varient selon l’état de polarisation du P(VDF-TrFe). L’influence du champ ferroélectrique sur l’efficacité de la photogénération de charges du P3HT et la modulation du photocourant par l’état de polarisation du P(VDF-TrFe) ont ainsi été déterminées. / In this thesis, the mesostructure and the electric/photoelectric behavior of ferroelectric/semi-conductor polymer blends in thin films have been studied for organic electronic applications. The semi-conductivity property of P3HT was associated with the ferroelectricity of P(VDF-TrFe) in one active layer. It has been observed that the intrinsic properties of both materials remained with the bi-continous morphology of these thin films. Memory devices were fabricated based on the 10 % P3HT – 90 % P(VDF-TrFe) active layer and the modulation of the injection properties by the ferroelectric field has been studied. We have also demonstrated that the P3HT/P(VDF-TrFe) thin films exhibit optoelectronic properties which depend on the polarization state of P(VDF-TrFe). The influence of the ferroelectric field on the photogeneration of charges of P3HT and the variation of the photocurrent with the polarization state of P(VDF-TrFe) were determined.

Une étude systématique du phénomène de relaxation diélectrique dans les gammes de fréquence 1 MHZ-1GHZ et de température de 250-500 K, a été effectuée sur des céramiques de titanate de baryum substituées. Il existe, quelle que soit la composition, un minimum de la fréquence de relaxation et un maximum de la dispersion diélectrique à chaque température de transition de phases. La relaxation est de type dipolaire ; elle est liée au déplacement des ions, en site octaédrique disposés suivant des chaînes (ou volume) de corrélation.

L'ensemble des résultats décrits dans la thèse constitue une contribution a l' etude des relaxations diélectriques dans des céramiques de structure perovskite qu'elles soient férroelectriques ou relaxeurs. Ils ont montré les relations étroites entre fréquence de relaxation, température de transition, nanostructure et liaison chimique. Ils permettent d'entrevoir des lois qui régissent la variation des caractéristiques des relaxations avec la nature des substitutions cationiques, le rapport entre le nombre d'atomes B' et B'' en site octaédrique, l'ordre ou le désordre

Dans ce travail, nous avons étudié l'effet des contraintes extérieures et des inhomogénéités locales sur les propriétés diélectriques et structurales des cristaux ferroélectriques- relaxeurs à base de plomb PZN-x%PT avec 0%≤x≤12%. Dans une première partie, nous avons déterminé les propriétés diélectriques et structurales du système PZN-6%PT. Pour l'état vierge, ce composé subit la séquence de transition de phase C  T  R, où C, T et R sont, respectivement, les phases cubique, quadratique et rhomboédrique. En appliquant un champ électrique statique, une phase orthorhombique est induite entre les phases T et R. Dans la deuxième partie, nous avons montré la présence d'une anomalie diélectrique à basse température observée sur le PZN-x%PT avec 0%≤x≤12%. Dans ce domaine de température, l'étude structurale ne montre aucune transition de phase. L'ensemble de ces résultats sont interprétés moyennant un modèle basé sur la présence des nano-régions polaires. En troisième partie nous avons déterminé les propriétés diélectriques et piézoélectrique du PZN-12%PT dopé au manganèse dans son état monodomaine. Le dopage affecte, principalement, la permittivité transverse et le coefficient piézoélectrique de cisaillement. Le dopage induit aussi la stabilité de la structure monodomaine et l'effet de mémoire de la microstructure. Ces résultats sont expliqués en utilisant le modèle de symétrie des défauts. Dans la dernière partie, nous nous sommes intéressés à la simulation de l'effet de la présence des dipôles-défaut (dopage) sur les propriétés physiques de BaTiO3. Nous avons mis en évidence l'induction d'un champ électrique interne responsable du décalage du cycle d'hystérésis vers les champs électriques négatifs.

Face à la volonté d'intégrer une quantité toujours plus importante de nouveaux services au sein des terminaux mobiles de nouvelle génération et afin de répondre à leurs contraintes d'encombrement, des nouveaux concepts d'antennes intelligentes font l'objet de nombreuses recherches. Parmi les solutions proposées dans la littérature, la technique consistant à charger l'antenne par un matériau aux propriétés commandables apparaît particulièrement intéressante puisque elle cumule les effets de miniaturisation et d'agilité. Le travail de cette thèse concerne l'intégration des films minces La-Ti-O-N et BST dans des antennes miniatures et agiles en fréquence. Pour cela, une étude systématique des propriétés diélectriques (constante, tangente de pertes et accordabilité) des films La-Ti-O-N a été réalisée en basses et hautes fréquences. Ces propriétés sont fonction des caractéristiques structurales des films, elles-mêmes issues de la nature du substrat utilisé et des conditions de dépôt. En parallèle, une étude sur l'intégration de ces matériaux dans des structures rayonnantes pour atteindre l'agilité souhaitée a été menée. De premiers démonstrateurs d'antennes miniatures et reconfigurables à base des films minces La-Ti-O-N et BST ont été réalisés et caractérisés.