La structure bronze quadratique de tungstène, grâce à sa flexibilité cristallochimique, est une candidate légitime pour le développement de matériaux fonctionnels. L’étude des propriétés diélectriques, pyroélectriques, et ferroélectriques de céramiques de formulation Ba2NdFeNb4-xTaxO15 montre un crossover relaxeur-ferroélectrique-paraélectrique, avec une hystérèse thermique de la transition ferroélectrique. L’étude structurale des monocristaux relaxeurs Ba2LnFeNb4O15 (Ln=La, Pr, Nd, Sm, Eu), obtenus par la méthode du flux, a mis en évidence une structure modulée. L’affinement de la structure de base prouve l’existence de moments dipolaires dans le plan ab (dus à une distorsion des octaèdres [NbO6]). Afin d’établir un lien entre la structure cristalline et les propriétés d’un composé dérivé du multiferroïque MnWO4, la croissance en four à image de Mn0,85Mg0,15WO4 a été entreprise avec succès. / Tetragonal Tungsten Bronze structure, thanks to its compositional flexibility, is a legitimate candidate for the development of functional materials. Study of dielectric, pyroelectric, and ferroelectric properties of Ba2NdFeNb4-xTaxO15 ceramics reveals a relaxor-ferroelectric-paraelectric crossover, with thermal hysteresis of the ferroelectric transition. Structural analysis of Ba2LnFeNb4O15 (Ln=La Pr, Nd, Sm, Eu), relaxor single crystals obtained by flux method, highlighted a modulated structure. Refinement of the basic structure proves the existence of a dipolar moment in the ab plane (induced by a distortion of [NbO6] octahedra). In order to establish a correlation between the crystal structure and the properties of a compound derived from multiferroic MnWO4, the crystal growth in image furnace of Mn0,85Mg0,15WO4 was successfully undertaken.

Cette thèse porte sur l'étude d'un diélectrique de type ferroélectrique pour une application aux transistors organiques. La configuration adoptée est de type bottom-gate top- contact. Le matériau semi-conducteur utilisé est un transporteur d'électrons. Dans la première partie de ce projet, nous avons réalisé des transistors organiques à effet de champ (OFETs) avec une couche de PMMA comme diélectrique de grille. Ce matériau, très étudié et connu, permet d'avoir un composant servant de référence. Nous avons également mené une étude sur la longueur de canal, la vitesse de dépôt du semi-conducteur organique et l'épaisseur du diélectrique, en vue d'en déduire l'influence de ces grandeurs sur les performances électriques des OFETs. Après l'optimisation de ces paramètres, nous avons démontré une amélioration de la mobilité des porteurs, une augmentation du rapport Ion/Ioff, une amélioration de la capacité et une diminution des tensions d'alimentation et de seuil. Ces résultats ont été interprétés à l'aide de caractérisations électriques. Dans un second temps, le diélectrique ferroélectrique poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) a été ajouté au composant, afin de réaliser un diélectrique hybride avec le PMMA. Ce dernier permet de combiner les avantages de la haute permittivité relative du P(VDF-TrFE), et de la faible rugosité du film de PMMA en contact avec le semiconducteur. Une étude comparative a été effectuée avec les transistors de référence. Il en ressort, pour une épaisseur identique de diélectrique, une diminution des tensions d'alimentation et de seuil, et une amélioration de la mobilité des charges avec l'OFET implémentant le matériau ferroélectrique. La discussion de ces résultats est appuyée par des caractérisations électriques et morphologiques. / This thesis deals with the study of a ferroelectric material as gate dielectric for organic transistor applications. The configuration adopted is bottom-gate top-contact. The semiconductor used is an electron transport material. In a first part, we made organic field effect transistors (OFETs) with a layer of PMMA as a gate dielectric. This material, very studied and well known, serves as reference. We also carried out a study on the channel length, the organic semiconductor deposition rate and the dielectric thickness, in order to deduce the impact of these parameters on OFETs performances. After optimization, we have demonstrated an improvement of the mobility, on/off current ratio, capacitance and a reduction of supply and threshold voltages. These results have been interpreted using electrical characterizations. In a second step, the poly (vinylidenefluoride-co- trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) ferroelectric material was added to provide a hybrid dielectric with PMMA. This OFET combine the advantages of high permittivity of P(VDF-TrFE) and low roughness of PMMA. A comparative study was carried out with reference transistors. For same dielectric thickness, a reduction of the supply and threshold voltages and an improvement of the mobility is obtained for the OFET implementing ferroelectric material. The discussion of these results is supported by electrical and morphological characterizations.

À la surface ou à l’interface d’un matériau ferroélectrique, la polarisation peut être déstabilisée voire même annulée par le champ dépolarisation qui résulte de charges de polarisation non compensées. En l’absence de mécanismes d’écrantage extrinsèques (adsorbats, électrodes) ou intrinsèques (défauts, dopants), l’ordonnancement en domaines est le moyen le plus naturel dont un système a recourt pour rester ferroélectrique et minimiser son énergie électrostatique. Cette thèse se concentre sur l’étude de la stabilité de multiples configurations en domaines, ainsi que de la façon dont elle dépend de facteurs géométriques, chimiques et élastiques, à la surface du BaTiO3(001).Des calculs ab initio, fondés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, ont été menés pour éclaircir l’influence de la terminaison de surface, de la contrainte parallèle à la surface, de l’épaisseur du système et de la taille des domaines sur la polarisation de différentes phases ferroélectriques dans des couches ultraminces. L’effet de lacunes d’oxygène en surface sur la polarisation et sur la structure électronique a aussi été étudié. La microscopie d’électrons lents (LEEM) et la microscopie d’électrons photoémis (PEEM) ont été utilisées pour étudier les propriétés de la polarisation à la surface de monocristaux de BaTiO3 réduit, afin d’examiner l’influence des lacunes d’oxygène sur la polarisation ferroélectrique par une approche expérimentale, renforçant ainsi les résultats de calculs. / At a surface or interface of a ferroelectric material, the polarization can be destabilized and even suppressed by the depolarizing field which arises from uncompensated polarization charge. In the absence of external (adsorbates, electrodes) or internal (defects, dopants) screening mechanisms, domain ordering is the most natural way for a system to remain ferroelectric and minimize its electrostatic energy. This thesis focuses on the study of the stability of various possible domain configurations, and on how it depends and interplays on size, chemical and elastic factors, at the (001) surface of BaTiO3.First-principles calculations, based on density functional theory, have been performed to enlighten the influence of surface terminations, in-plane strain, system thickness and domain size in ultrathin films on the polarization in different ferroelectric phases. The effect of surface oxygen vacancies on the polarization and electronic structure has also been investigated. Low Energy electron microscopy (LEEM) and photoemission electron microscopy (PEEM) have been used to study the surface properties of ferroelectric polarization in reduced BaTiO3 single crystals, allowing to address the influence of oxygen vacancies on the ferroelectric polarization from experimental approaches, supporting the calculations results.

Les matériaux caloriques à l'état solide, qui subissent un changement de température adiabatique ou un changement d'entropie isothermal lorsque certains stimuli externes (champ électrique, champ magnétique, contrainte ou pression mécanique) est appliquée ou retirée, sont prometteurs pour la réfrigération à l'état solide, comme alternative aux dispositifs de refroidissement conventionnels inventé il y a cent ans qui utilisent des gaz dangereux. Compte tenu des améliorations des systèmes de réfrigération à compression de vapeur approchant très vite de leur limite d'efficacité théorique, en plus des préoccupations environnementales accrues, il y a eu récemment une recrudescence de la recherche mondiale pour de nouvelles solutions de réfrigération plus économiques et respectueuses de l'environnement. Les caloriques les plus importants sont les matériaux "ferroiquement" ordonnés (ferroélectriques, ferroélastiques et ferromagnétique / antiferromagnétique) qui présentent souvent des effets caloriques géants près de leurs transitions ferroïques. Dans cette thèse, nous présentons nos résultats théoriques et expérimentaux sur l'effet électrocalorique, élastocalorique, barocalorique et magnétocalorique dans différents matériaux ferroïques. Nos résultats montrent que tous ces effets caloriques peuvent donner des solutions de réfrigération prometteuses avec un faible impact environnemental. Nous abordons les ferroélectriques qui apparaissent comme matériaux idéaux permettant à la fois des réponses électrocaloriques, élastocaloriques et barocaloriques géantes près de la température ambiante. Pour la première fois, nous mettons en évidence un effet électrocalorique négatif dans des films minces antiferroélectriques et nous proposons un nouveau mécanisme pour comprendre la réponse calorique dans antiferroiques en général incluant antiferroélectrique et antiferromagentique. Par ailleurs, pour la première fois en utilisant une caméra infra-rouge, nous effectuons la mesure résolue spatialement sur l'effet électrocalorique dans des condensateurs multicouches, l'un des systèmes les plus étudiés considérés comme le prototype électrocalorique le plus prometteur. Nos résultats fournissent la première preuve expérimentale directe sur le flux de chaleur électrocalorique à la fois temporellement et spatialement dans un dispositif électrocalorique spécifique. En outre, pour la première fois, nous concevons un cycle de réfrigération multicalorique combinant effet électrocalorique avec des effets élastocaloriques / magnétocaloriques via des matériaux ferroélectriques. Nous avons réalisé ce cycle mutlicalorique pour résoudre un problème réel et de longue date, à savoir une grande hystérésis magnétique qui a empêché l'utilisation pourtant prometteuse de FeRh découvert il y a près de 26 ans en tant que matériau magnétocalorique. Nous espérons que cette thèse fournira non seulement des connaissances utiles pour comprendre fondamentalement l'effet calorique à l'état solide dans les matériaux ferroïques et ce qui est véritablement mesuré, mais pourra aussi servir de guide pratique pour exploiter et développer les ferrocalorics vers la conception de dispositifs appropriés. / Solid-state caloric materials, which undergo an adiabatic temperature change or isothermal entropy change when some external stimulus (electric field, magnetic field, stress and pressure) is applied or withdrawn, are promising for solid-state refrigeration, as an alternative to hazardous gases used in conventional cooling devices invented a hundred years ago. Given that the highly refined vapor-compression refrigeration systems asymptotically approach their theoretical efficiency limit in addition to the concern on environment, there has been a recent upsurge in worldwide search for new refrigeration solution which is economical and environmentally friendly. The most prominent calorics are ferroically ordered materials (ferroelectric, ferroelastic and ferromagnetic/antiferromagentic) that often exhibit giant caloric effects near their ferroic transitions. In this thesis, we present our theoretical and experimental results on electrocaloric effect, elastocaloric effect, barocaloric effect and magnetocaloric effect in different ferroic materials. Our findings show that all these caloric effects may appear promising with low environmental impact. We address ferroelectrics emerging as ideal materials which permit both giant elastocaloric, electrocaloric and barocaloric responses near room temperature. For the first time, we find a large negative electrocaloric effect in antiferroelectric thin films and we propose a new mechanism to understand the caloric response in antiferroics including antiferroelectric and antiferromagentic. In addition, for the first time using Infra-red camera we carry out spatially-resolved measurement on electrocaloric effect in multilayer capacitors, one of the most studied systems which are regarded as the most promising electrocaloric prototype. Our findings provide the first direct experimental evidence on the electrocaloric heat flux both temporally and spatially in a specific electrocaloric device. Moreover, for the first time, we design a multicaloric refrigeration cycle combining electrocaloric effect with elastocaloric/magentocaloric effects bridged by ferroelectric materials. We realized such mutlicaloric cycle to solve a real and longstanding problem, i.e., a large hysteresis that impeded reversibility in an otherwise promising magnetocaloric material FeRh discovered almost 26 years ago. We hope that this thesis will not only provide a useful background to fundamentally understand the solid-state caloric effect in ferroics and what we are really measuring, but also may act as a practical guide to exploit and develop ferrocalorics towards design of suitable devices.

Une des méthodes utilisées pour étudier la ferroélectricité à l'échelle nanométrique dans les couches minces est la technique appelée « Piezoresponse Force Microscopy » (PFM). La PFM est un mode dérivé de l’AFM (Atomic Force Microscopy) en mode contact. Cette technique est basée sur l’effet piézoélectrique inverse : lorsqu’on applique un champ électrique sur un matériau piézoélectrique celui-ci se déforme. La pointe est posée sur la surface et mesure donc une déformation locale due à la tension appliquée. Les résultats obtenus par PFM sur des couches minces deviennent difficiles à interpréter dès lors que des charges d’origine non ferroélectriques (différentes de la charge de polarisation) entrent en jeu : charges électroniques piégées dans l’oxyde après l’injection de courant dues aux courants de fuite, charges déjà présentes dans la couche, les charges de surface, ainsi que les différents phénomènes électrochimiques due à la présence de la couche d’eau sous la pointe lors des mesures sous atmosphère ambiante. Le but de ce travail de thèse est de montrer que dans le cas de couches très minces les courants de fuite et les phénomènes électrochimiques peuvent conduire à l’interprétation de résultat PFM erroné. Des mesures PFM ont été réalisées sur des couches minces de PbZrTiO3, BaTiO3 et des nanostructures de BiFeO3 ferroélectriques. Les paramètres de mesure utilisés en PFM sont discutés avec une attention particulière sur la première résonance de contact qui permet d’amplifier le signal PFM. L’impact des phénomènes électrochimiques sur le contraste en PFM est discuté et mis en évidence d’un point de vue expérimentale. Des images PFM sur des couches minces non-ferroélectriques sont obtenues semblable à celle obtenues lors de l’utilisation d’une procédure standard sur des échantillons ferroélectriques. Ces images sont réalisées sur des couches minces d’aluminate de lanthane (LaAlO3), d'oxyde de Gadolinium (Gd2O3) et d’oxyde de Silicium (SiO2). Les motifs obtenus sur le LaAlO3 et le Gd2O3, similaires à des domaines de polarisation opposés, tiennent dans le temps sous atmosphère ambiante. Ces mesures sont comparées avec des résultats obtenus sur des couches minces de BaTiO3 préparées par MBE (Molecular Beam Epitaxy). Différentes méthodes de caractérisation électriques à l’échelle macroscopique sont présentées afin de confirmer la ferroélectricité des couches minces étudiées dans cette thèse. L'objectif est de disposer d'une procédure permettant d'affirmer qu'un échantillon dont on ne sait rien est ou n'est pas ferroélectrique. / Piezoresponse Force Microscopy (PFM) is a powerful tool for the characterization of ferroelectric materials thanks to its ability to map and control in a non destructive way domain structures in ferroelectric films. Most of the time, the ferroelectric behaviour of a film is tested by writing domains of opposite polarization with the Atomic Force Microscope (AFM) tip and/or by performing hysteresis loops with the AFM tip as a top electrode. A given sample is declared ferroelectric when domains of opposite direction have been detected; corresponding to zones of distinct contrast on the PFM image, or when an open hysteresis loop is obtained. More prudently in certain cases, the ferroelectricity is at last attested only when the contrast is stable within several hours. But as the thickness of the films studied by PFM decrease, data become difficult to interpret. In particular, charges trapped after current injection due to leakage currents and electrochemical phenomena due to the water layer under the tip may contribute in a non-negligible way to the final contrast of PFM images. In this thesis, some PFM measurements are performed on ferroelectric PbZrTiO3, BaTiO3 thin films and BiFeO3 nanostructures. Different parameters used in PFM measurements are discussed with special attention on the buckling first harmonic PFM measurements which allow the amplification of the PFM signal. The impact of electrochemical effects on the PFM contrast are discussed and are shown experimentally. Then, the standard procedure which is used in order to show the ferroelectricity of a film is applied to a non-ferroelectric sample with apparently the same results. To do so, we use a LaAlO3, Gd2O3 and SiO2 amorphous dielectric films and apply similar voltages as for artificially written ferroelectric domains. The resulting pattern is imaged by PFM and exhibit zones of distinct PFM contrasts, stable with time, similar to the one obtained with ferroelectric samples. These results are explained and is compared with results obtained on BaTiO3 thin films prepared by Molecular Beam Epitaxy which are supposed to be ferroelectric. In order to confirm the ferroelectricity of our thin films, several macroscopic electrical techniques are introduced. The aim of this study is to establish a reliable procedure which would remove any ambiguity in the characterization of the ferroelectric nature of such samples.

Dans cette thèse, nous présentons des études théoriques de matériaux pérovskites sous con-trainte mécanique uniaxiale en combinant les calculs de premier principe DFT ainsi quela théorie phénoménologique de type Landau. Les pérovskites ABO3 forment une classetrès importante de matériaux fonctionnels, qui peuvent présenter un large éventail de pro-priétés (e.g., supraconductivité, magnétisme, ferroélectricité, multiferroïcité, transitionsmétal-isolant. . . ) grâce aux petites distorsions d’ une même structure prototype cubique.Bien que ces composés aient été largement étudiés expérimentalement et théoriquement, ilreste encore des questions importantes et non résolues concernant les effets de contraintesuniaxiales. Au cours de ces dernières années, l’ ingénierie de contrainte a été décrite commeune approche originale pour ajuster les propriétés ferroélectriques pérovskites ABO3. Alorsque les effets de tension épitaxié-biaxiale et pression la hydrostatique, sont plutôt bien com-pris dans cette classe de matériaux, très peu est connu en ce qui concerne l’ effet des con-traintes mécaniques uniaxiales. Notre étude est motivée par ce manque de compréhensionactuelle de l’ effet de tension et compression uniaxiale, qui a été jusqu’à présent presquetotalement négligé. Deux composés prototypes sont étudiés dans le détail: PbTiO3 etSrTiO3. Après une introduction générale sur les composés ABO3 et les calculs techniques(ab initio et modèle phénoménologique de Landau), nous avons étudié l’ effet de contraintesmécaniques sur ces matériaux dans notre thèse.PbTiO3 est un composé ferroélectrique prototypique et également l’ un des composantsmère de la solution solide Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), qui est le piézoélectrique le plus largementutilisé dans des applications. Pour PbTiO3, nous avons montré que indépendammentde la contrainte mécanique uniaxiale appliquée, le système conserve un état fondamentalpurement ferroélectrique avec la polarisation alignée, soit le long de la direction de lacontrainte (en phase FEz) ou bien le long d’ un des axes pseudo-cubique, qui lui estperpendiculaire (phase de FEx). Cela contraste avec les cas de contraintes mécaniquesisotropes ou bi-axial, pour qui de nouvelles phases combinant des modes ferroélectriqueset antiferrodistortives ont déjà été décrites. Sous contrainte uniaxiale, PbTiO3 passe d’unétat fondamental FEx sous compression à un état fondamental FEz en tension au-delà d’une tension critique !czz! +1%. Sous contrainte uniaxiale, PbTiO3 présente soit un étatfondamental FEx sous compression ("zz < 0) ou un état fondamental de FEz sous tension("zz > 0). Cependant, ici, un brusque saut des paramètres structuraux est prévu sousdes contraintes de compression et de traction à des valeurs critiques "zz! +2 GPa et −8GPa. Ce comportement semble similaire à celui pré-prédit sous pression isotrope négativeet pourrait se révéler utile en pratique pour améliorer la réponse piézoélectrique dans lesnano-composants.Le deuxième composé intéressant est SrTiO3. Il a été largement étudié au cours desdernières décennies, en raison de ses propriétés exceptionnelles à basse température. Dansce travail, nous avons élargi nos précédentes études de PbTiO3, en explorant théorique-ment les effets de pression sur la perovskite SrTiO3, combinant les premiers principes decalculs et un modèle phénoménologique de type Landau. Nous avons discuté de l’évolutiondes fréquences des phonons de SrTiO3 des trois cas de contraintes isotrope, uniaxial ettensions biaxiaux en utilisant les calculs de premier principe. Nous confirmons des travauxexpérimentaux précédents sur SrTiO3 que ça soit en contrainte épitaxiée ou sous pressionhydrostatique. Enfin, nous avons calculé de diagramme de phase de SrTiO3 sous contrainteuniaxiale, obtenue à partir de la théorie de Landau que nous avons comparé aux calculsde premier principe. / In the present thesis we present theoretical studies of perovskite compounds under uniax-ial mechanical constraints combining first-principles DFT calculations approach and phe-nomenological Landau theory. ABO3 perovskites form a very important class of functionalmaterials that can exhibit a broad range of properties (e.g., superconductivity, magnetism,ferroelectricity, multiferroism, metal-insulator transitions. . . ) within small distortions ofthe same simple prototype cubic structure. Though these compounds have been exten-sively studied both experimentally and computationally, there are still unresolved issuesregarding the effect of pressure. In recent years, strain engineering has reported to bean original approach to tune the ferroelectric properties of perovskite ABO3 compounds.While the effect of epitaxial biaxial strain and hydrostatic strain is rather well understoodin this class of materials, very little is yet known regarding the effect of uniaxial mechanicalconstraints. Our study is motivated by the little existing understanding of the effect ofuniaxial strain and stress, that has been up to now almost totally neglected. Two proto-type compounds are studied in detail: PbTiO3 and SrTiO3. After a general introductionon ABO3 compounds and calculations techniques (ab initio and phenomenological Landaumodel), we studied the effect of mechanical constraints in these compounds in our thesis.PbTiO3 is a prototypical ferroelectric compound and also one of the parent components ofthe Pb(Zr,Ti)O3 solid solution (PZT), which is the most widely used piezoelectrics. ForPbTiO3, we have shown that irrespectively of the uniaxial mechanical constraint applied,the system keeps a purely ferroelectric ground-state, with the polarization aligned eitheralong the constraint direction (FEz phase) or along one of the pseudocubic axis perpen-dicular to it (FEx phase). This contrasts with the case of isotropic or biaxial mechanicalconstraints for which novel phases combining ferroelectric and antiferrodistortive motionshave been previously reported. Under uniaxial strain, PbTiO3 switches from a FEx groundstate under compressive strain to FEz ground-state under tensile strain, beyond a critical strain !czz! +1%. Under uniaxial stress, PbTiO3 exhibits either a FEx ground state undercompression ("zz < 0) or a FEz ground state under tension ("zz > 0). Here, however, anabrupt jump of the structural parameters is also predicted under both compressive andtensile stresses at critical values "zz! +2 GPa and −8 GPa. This behavior appears similarto that predicted under negative isotropic pressure and might reveal practically useful toenhance the piezoelectric response in nanodevices.The second compound of interest is SrTiO3. It has been widely studied in the past decadesdue to its unusual properties at low temperature. In this work, we have extended ourprevious investigations on PbTiO3 by exploring theoretically the pressure effects on per-ovskite SrTiO3 combining the first-principles calculations and a phenomenological Landaumodel. We have discussed the evolution of phonon frequencies of SrTiO3 with the threeisotropic, uniaxial and biaxial strains using first-principles calculations. We also reproducethe previous work done in SrTiO3 with epitaxial strain and hydrostatic strain. Finally,we have calculated the phase diagram of SrTiO3 under uniaxial strain, as obtained fromLandau theory and discussed how it compares with the first-principles calculations.

Les mémoires non-volatiles (MNV) sont l'objet d'un effort de recherche croissant du fait de leur capacité à limiter la consommation statique, qui obère habituellement la réduction des dimensions dans la technologie CMOS. Dans ce contexte, cette thèse aborde plus spécifiquement deux technologies de mémoires non volatiles : d'une part les jonctions tunnel ferroélectriques (JTF), dispositif non volatil émergent, et d'autre part les dispositifs à transfert de spin (TS) assisté par effet Hall de spin (EHS), approche alternative proposée récemment pour écrire les jonctions tunnel magnétiques (JTM). Mon objectif est de développer des modèles compacts pour ces deux technologies et d'explorer, par simulation, leur intégration dans les circuits non-volatiles.J'ai d'abord étudié les modèles physiques qui décrivent les comportements électriques des JTF : la résistance tunnel, la dynamique de la commutation ferroélectrique et leur comportement memristif. La précision de ces modèles physiques est validée par leur bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. Afin de proposer un modèle compatible avec les simulateurs électriques standards, nous j'ai développé les modèles physiques mentionnés ci-dessus en langue Verilog-A, puis je les ai intégrés ensemble. Le modèle électrique que j'ai conçu peut être exploité sur la plate-forme Cadence (un outil standard pour la simulation de circuit). Il reproduit fidèlement les comportements de JTF. Ensuite, en utilisant ce modèle de JTF et le design-kit CMOS de STMicroelectronics, j'ai conçu et simulé trois types de circuits: i) une mémoire vive (RAM) basée sur les JTF, ii) deux systèmes neuromorphiques basés sur les JTF, l'un qui émule la règle d'apprentissage de la plasticité synaptique basée sur le décalage temporel des impulsions neuronale (STDP), l'autre mettant en œuvre l'apprentissage supervisé de fonctions logiques, iii) un bloc logique booléen basé sur les JTF, y compris la démonstration des fonctions logiques NAND et NOR. L'influence des paramètres de la JTF sur les performances de ces circuits a été analysée par simulation. Finalement, nous avons modélisé la dynamique de renversement de l'aimantation dans les dispositifs à anisotropie perpendiculaire à transfert de spin assisté par effet Hall de spin dans un JTM à trois terminaux. Dans ce schéma, deux courants d'écriture sont appliqués pour générer l'EHS et le TS. La simulation numérique basée sur l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) démontre que le délai d'incubation de TS peut être éliminé par un fort EHS, conduisant à la commutation ultra-rapide de l'aimantation, sans pour autant requérir une augmentation excessive du TS. Nous avons appliqué cette nouvelle méthode d'écriture à la conception d'une bascule magnétique et d'un additionneur 1 bit magnétique. Les performances des circuits magnétiques assistés par l'EHS ont été comparés à ceux écrits par transfert de spin, par simulation et par une analyse fondée sur le modèle théorique. / Non-volatile memory (NVM) devices have been attracting intensive research interest since they promise to solve the increasing static power issue caused by CMOS technology scaling. This thesis focuses on two fields related to NVM: the one is the ferroelectric tunnel junction (FTJ), which is a recent emerging NVM device. The other is the spin-Hall-assisted spin-transfer torque (STT), which is a recent proposed write approach for the magnetic tunnel junction (MTJ). Our objective is to develop the compact models for these two technologies and to explore their application in the non-volatile circuits through simulation.First, we investigated physical models describing the electrical behaviors of the FTJ such as tunneling resistance, dynamic ferroelectric switching and memristive response. The accuracy of these physical models is validated by a good agreement with experimental results. In order to develop an electrical model available for the circuit simulation, we programmed the aforementioned physical models with Verilog-A language and integrated them together. The developed electrical model can run on Cadence platform (a standard circuit simulation tool) and faithfully reproduce the behaviors of the FTJ.Then, using the developed FTJ model and STMicroelectronics CMOS design kit, we designed and simulated three types of circuits: i) FTJ-based random access memory (FTRAM), ii) two FTJ-based neuromorphic systems, one of which emulates spike-timing dependent plasticity (STDP) learning rule, the other implements supervised learning of logic functions, iii) FTJ-based Boolean logic block, by which NAND and NOR logic are demonstrated. The influences of the FTJ parameters on the performance of these circuits were analyzed based on simulation results.Finally, we focused on the reversal of the perpendicular magnetization driven by spin-Hall-assisted STT in a three-terminal MTJ. In this scheme, two write currents are applied to generate spin-Hall effect (SHE) and STT. Numerical simulation based on Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation demonstrates that the incubation delay of the STT can be eliminated by the strong SHE, resulting in ultrafast magnetization switching without the need to strengthen the STT. We applied this novel write approach to the design of the magnetic flip-flop and full-adder. Performance comparison between the spin-Hall-assisted and the conventional STT magnetic circuits were discussed based on simulation results and theoretical models.

Les matériaux ferroélectriques suscitent beaucoup d’intérêt du fait de leurs propriétés physiques telles que la piézoélectricité, la ferroélectricité ou encore leur permittivité élevée. Ainsi, on cherche à les intégrer dans les micro- et nano-systèmes dans lesquels on les retrouve généralement sous forme de couche mince dans une configuration de type capacité plane. En particulier, l’oxyde de plomb, titane et zirconium (PZT) est un matériau très attractif pour les applications RF capacitives du fait de sa grande permittivité. Son intégration sur des électrodes métalliques, i.e. les lignes coplanaires constituant le guide d’onde, implique de maîtriser sa croissance en film mince. L’application d’une tension dans un dispositif RF actif impose également de contrôler les propriétés électriques : nature des courants de fuite et comportement ferroélectrique du PZT. Dans ce contexte, les couches minces de PZT sont déposées par ablation laser (PLD) sur un empilement La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃ (LSMO) / Pt (111) déposé sur un substrat monocristallin de saphir. La couche d’accroche conductrice LSMO est nécessaire afin d’éviter la formation d’une phase pyrochlore paraélectrique. Le contrôle de l’orientation cristalline de la couche de LSMO permet de contrôler la texturation de la couche de PZT. Les courants de fuite au travers de l’empilement Pt/PZT/LSMO/Pt ont ensuite été étudiés dans l’intervalle de température 220-330K de façon à déterminer les mécanismes de conduction. Une transition a été mise en évidence entre, autour de la température ambiante, un mécanisme contrôlé par la diffusion des charges en volume et, à basse température, un mécanisme contrôlé par l’injection des charges aux interfaces électrode/PZT. Un mécanisme par sauts a été identifié au-dessus de 280K en cohérence avec la présence de défauts étendus et la structure colonnaire du PZT. Afin de contrôler ces courants de fuite, différentes stratégies ont été utilisées. La première consiste à insérer une couche d’oxyde isolante à l’interface supérieure Pt/PZT modifiant ainsi l’injection des charges et permettant de réduire les courants de fuite. La seconde stratégie consiste, quant à elle, à modifier la structure de la couche de PZT en volume en élaborant des composites diélectrique/PZT multicouches ou colonnaires. Ainsi, une couche d’oxyde isolante a été insérée au milieu de la couche de PZT et a permis de réduire les courants de fuite. Le contrôle de la nucléation du PZT a également permis par nanofabrication d’élaborer un composite colonnaire pérovskite PZT/pyrochlore. La densité de piliers de pyrochlore dans la phase ferroélectrique permet de moduler la densité de courant dans la structure. Le PZT et les hétérostructures permettant de réduire les courants de fuite ont ensuite été intégrés dans une structure RF capacitive avec des lignes coplanaires d’or. Les performances RF en termes d’isolation et de pertes par insertion ainsi que la compatibilité de ces différents matériaux ont été étudiées et ont montré que les solutions développées dans le cadre du contrôle des courants de fuite sont prometteuses pour être intégrées dans les dispositifs RF capacitifs. En outre, on a cherché à extraire la permittivité à haute fréquence du PZT lorsque celui-ci est inséré dans une structure capacitive. Cette étude a notamment permis de mettre en évidence les points techniques à modifier concernant la structure du dispositif afin de parvenir à exploiter les propriétés physiques du PZT à haute fréquence. / Ferroelectric materials are raising a lot of interest due to their physical properties such as piezoelectricity, ferroelectricity or high dielectric constant. Thus, they are generally integrated in micro- and nano-systems as thin films in a capacitive configuration. Especially, the lead zirconate titanate oxide (PZT) is an attractive material for capacitive RF applications due to its high dielectric constant. The growth of the PZT thin film has to be controlled on metallic electrodes for its integration on coplanar transmission lines. Moreover, electrical properties such as leakage current and ferroelectric behavior of PZT have to be monitored upon application of a dc voltage bias for RF device operation. In this context, PZT thin films were grown by the pulsed laser deposition technique (PLD) on a La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃ (LSMO) / Pt (111) electrode on a monocrystalline sapphire substrate. The LSMO buffer layer is mandatory to avoid the formation of the paraelectric pyrochlore phase. The control of the crystalline orientation of the LSMO layer allows for the control of the PZT layer texture. Leakage currents through the Pt/PZT/LSMO/Pt stack were then studied in the 220-330K temperature range to determine the conduction mechanisms. A transition is evidenced between a bulk-controlled mechanism near room temperature and an interface-controlled mechanism at low temperature. A hopping mechanism is identified above 280K in line with the presence of extended defects and the columnar structure of the PZT layer. Several strategies were tested to control leakage currents. The first one consists in inserting an insulating oxide layer at the top Pt/PZT interface. In this way, charge injection was modified and leakage currents were reduced. The second strategy consists in changing the PZT layer bulk structure by elaborating a layered or columnar dielectric/PZT composite. Thus, an insulating oxide layer was inserted in the middle of the PZT layer and permitted to reduce leakage currents. Moreover, the control of the PZT nucleation allowed for the elaboration of a columnar PZT/pyrochlore composite. The leakage currents in this composite can be tuned through the pyrochlore pillars density among the ferroelectric matrix. Then, PZT and the heterostructures for leakage current control were integrated in a capacitive RF structure with gold coplanar transmission lines. RF performances in terms of isolation and insertion loss of these materials were studied and gave good results. In particular the heterostructures developed to control the leakage currents are promising for their integration in capacitive RF devices. Besides, I tried to extract the permittivity of PZT at high frequency with the PZT layer in a capacitive configuration. This study highlighted the essential modifications of the capacitive structure that have to be made in order to be able to exploit PZT properties at high frequency.

Les matériaux ferroélectriques sont caractérisés par l'existence d'une polarisation électrique spontanée, dont l'orientation peut être inversée par l'application d'un champ électrique adéquat. Permettant de coder l'information sous la forme d'un domaine ferroélectrique, i.e. une région du matériau avec une certaine orientation de la polarisation, les ferroélectriques ouvrent la voie au stockage de masse de très haute densité (>10 Tbit/in ²). Dans ce contexte, nous avons employé la Piezoresponse Force Microscopy (PFM), un mode particulier de Microscope à Force Atomique (AFM), permettant la manipulation et la détection des domaines ferroélectriques à l'échelle du nanomètre. Avec pour objectif d'étudier les mécanismes de formation des domaines par l'intermédiaire d'une pointe AFM, nos travaux ont mis en valeur la cinétique de croissance des domaines dans des films minces monocristallins de LiTaO3, avec une approche complémentaire de celle thermodynamique, dépendante du champ électrique et soulignant le rôle de l'humidité dans une possible conduction de surface. En parallèle, les films de LiTaO3 ont permis d'appréhender davantage la nature électro-mécanique de la réponse PFM, pour notamment relier l'amplitude du signal mesuré à la géométrie du domaine sous pointe. PFM et domaines ferroélectriques se sont en effet révélés tour à tour, objet d'étude et outil de caractérisation. / Ferroelectric materials are characterized by their spontaneous polarization, whose direction can be reversed by the application of a suitable electric field. Using domains, i.e. regions of uniform polarization orientation, as information bits, ferroelectrics opens the pathway towards ultrahigh storage densities (>10 Tbit/in²). In this respect, Piezoresponse Force Microscopy (PFM), a technique derived from Atomic Force Microscopy (AFM), was used to manipulate and detect ferroelectric domains on the nanometer scale. Our study was focused on the domains formation mechanism in the local electric field of a nanosized tip. Within an approach complementary to the thermodynamic one, we underlined the kinetics of domains growth in single-crystal LiTaO3 thin films, and the role of humidity in a possible surface conduction. In parallel, the LiTaO3 thin films were used to better understand the PFM response, in particular the relation between the measured signal and the geometry of the domain below the tip. This way, PFM and ferroelectrics domains alternately appeared as object of study and characterization tool.

Si l'utilisation des transformateurs piézoélectriques se bornait jusqu'alors à l'alimentation ou la protection de dispositifs électriques, ils sont aujourd'hui envisagés pour la génération de décharges plasma directement à leur surface. Les propriétés remarquables de ces générateurs piézoélectriques en font une alternative intéressante aux dispositifs conventionnels, notamment par la simplicité de mise en œuvre. La surface du transformateur constitue à la fois le support de décharge et l'élément élévateur de tension réduisant significativement l'encombrement des dispositifs. En outre les gains en tension de ces transformateurs sont remarquablement élevés et permettent d'obtenir des décharges pour des tensions d'alimentation n'excédant pas quelques volts. Ces avantages peuvent répondre avantageusement à certains problèmes rencontrés dans les procédés plasmas dont l'implantation dans les processus industriels, bien qu'elle soit en constante amélioration, est parfois confrontée à des problèmes de mise en œuvre d'enceintes complexes, rendant le procédé couteux ou inadapté aux conditions opératoires. L'objet de cette thèse porte sur l'étude fondamentale d'un transformateur piézoélectrique de type Rosen dédié à la génération de décharges électriques. Plus particulièrement, ce travail s'attèle au développement d'un modèle analytique permettant de mieux appréhender les limites de ce procédé innovant, ainsi qu'une meilleure compréhension du comportement des décharges plasma face aux spécificités de ce transformateur et de son matériau. Pour ce faire l'étude se consacre en première partie à la caractérisation du transformateur piézoélectrique hors décharge à partir de ses bornes, puis à l'extension d'un modèle analytique afin d'appréhender la distribution du potentiel électrique à sa surface. Le développement d'un dispositif expérimental permettra la mesure du potentiel ainsi que la discussion du modèle. Dans un second temps l'étude s'attache au comportement du transformateur piézoélectrique en décharge. La distribution de potentiel à présent connue constitue une donnée d'entrée nécessaire à l'étude de la dynamique de décharges dans ces différentes configurations. Les phénomènes à l'œuvre dans ce processus de génération étant complexes, l'étude est conduite suivant différentes étapes. Tout d'abord en passant par l'étude des propriétés des céramiques ferroélectriques au travers d'une décharge à barrière diélectrique plan-plan. Ensuite la dynamique des décharges est abordée par modélisation numérique suivant trois configurations différentes. Ces cas d'études conduisent à des régimes de décharges différents pouvant faire l'objet de mise en application future. Bien que le problème soit sous l'hypothèse d'un couplage faible, les résultats ont corroborés les observations expérimentales et ont permis de mieux comprendre l'influence des hautes permittivités et de la distribution du potentiel sur l'évolution spatio-temporelle de ce procédé. / Nowadays piezoelectric transformers are not only used to supply or protect electrical devices, but also to generate plasma discharges directly on their surface. The remarkable properties of these piezoelectric generators make them an interesting alternative to conventional devices, especially the simple implementation. The surface of the transformer constitutes both the discharge support and the voltage elevator component reducing significantly the bulk of the devices. Besides the transformers' gain voltage are remarkably high and permit to generate discharges for low voltage supply not exceeding a few volts. These advantages respond to some problems met in the plasma processes of which the establishment in industrial processes - in constant improvement - is sometimes confronted to problems of chambers implementations, making this process expensive and not adequate to the operating conditions. The purpose of this thesis focuses on the fundamental studies of a Rosen piezoelectric transformer dedicated to the generation of electrical discharges. In particular, this work tackles the development of an analytical model allowing to improve the understanding of the limits of this innovating process, as well as a better comprehension of the plasma discharges behavior face with transformer and material features. In order to do this the first part of the study is devoted to the characterization of the piezoelectric transformer without discharge, then the extension of the analytical modeling in order to comprehend the distribution of surface electrical potential. The development of an experimental device will allow the potential measurement and the discussion of the model. In a second part the study focuses on behavior of the piezoelectric transformer in discharge. The potential distribution known today constitutes a necessary input data for the study of the discharge dynamic in different configurations. The complexity of the phenomena implemented in this process of generation requires to conduct the study following different steps. First of all, by the study of ferroelectric ceramic features through a dielectric-barrier discharge. Then the discharges dynamic is approached by numerical modeling following three different configurations. This cases conduct to different discharge regimes that can be the subject of future application. Even if the problem is under the hypothesis of a weak coupling, the results confirmed the experimental observations and permitted to understand better the influence of high permittivity and of the potential distribution on the saptio-temporal evolution of this process.