Au cours des dix dernières années, les hétérostructures à base de matériaux oxyde ont été grandement étudiées comme potentiel systèmes d’application pour le nanoélectronique. Parmi eux, les ferroélectriques (FE) sont particulièrement intéressants comme support pour ces applications technologies. En effet, leur polarisation électrique spontanée, aisément réversible par application d’un champ électrique en fait de bons candidats pour le stockage de données non-volatile. Renverser la polarisation nécessite un contact avec une électrode, ainsi les hétérostructures de films mince de FE avec électrodes métalliques ont été grandement étudiées. A l’interface entre les deux matériaux, les charges libres de l’électrode permettent d’écranter les charges de surfaces, détrimentales au maintien de la polarisation au sein du film FE. Avec des électrodes d’oxyde métalliques, un déplacement ionique à l’interface électrode/FE va d’avantage favoriser cet écrantage, plaçant l’interface au cœur du processus d’écrantage. Cependant, malgré d’importantes découvertes théoriques, les données expérimentales sont rares et le comportement exact de l’interface électrode/FE est seulement partiellement maitrisée. Une plus grande compréhension est indispensable pour une intégration correcte des films FE dans des dispositifs nanométriques. Dans cette thèse, des techniques basées sur la spectroscopie de photoémission sont utilisées pour sonder l’interface enfouie d’une hétérostructure électrode/BaTiO₃/électrode, dans le cas de deux électrodes différentes : l’oxyde métallique SrRuO₃ et le métal cobalt. Nous avons acquis des informations sur le comportement de l’interface et sa réponse au renversement de la polarisation. Ce travail est un nouveau pas vers une plus grande maitrise des phénomènes physiques gouvernant le comportement de l’interface entre électrodes le ferroélectrique BaTiO₃, en termes de propriété électronique, de cinétique et de fatigue. Les expériences présentées couplent des techniques d’analyses de pointes, où l’utilisation de rayons X durs et l’application de champs électriques in situ ont rendus possible la difficile tâche de sonder des interfaces enfouies en condition de fonctionnement. / In the past decade, oxide-based heterostructures have been studied extensively as potentially attractive systems for applications in nanoelectronics. Among them, ferroelectric materials raised interest as potential support for those technological applications. Indeed, their spontaneous electric polarization easily switched by applying an electric field makes them a good basis for non-volatile data storage. Switching the polarization requires a metallic contact with an electrode, thus heterostructures of ferroelectric thin films with metallic electrodes have been widely studied. At the interface between those two materials, free charges of the electrode help screening the polarization induced surface charges detrimental to maintaining proper polarization in the ferroelectric thin film. With metallic oxide electrodes, an ionic displacement at the electrode/ferroelectric interface will help the screening. However, despite important theoretical discoveries, direct experimental data is scarce and further understanding of the interface behavior is crucial for a proper integration of ferroelectric films in functioning nanometer sized devices. In this thesis, photoemission spectroscopy based techniques are used to probe the buried interface of an electrode/BaTiO₃/electrode heterostructure, for two different electrodes: the metallic oxide SrRuO₃ and the Co metal. We acquired information on the behavior of the interface and its response to polarization switching. This work is a new step towards a complete understanding on the behavior of the interface between electrodes and the BaTiO₃ ferroelectric, in device-like heterostructures, in terms of electronic properties, kinetic, and fatigue. The experiments presented combined state of the art characterization techniques, where the use of hard X-rays and in situ bias application made it possible to resolve the difficult task of probing buried interfaces in working conditions.

Le travail effectué dans le cadre de ce mémoire nous a permis de faire des préparations chimiques de monocristaux à partir de substitution partielle de phosphore par l'arséniate dans des nouveaux composés issus de la famille de KDP . D'une part, la présence des propriétés physiques intéressantes propre au matériau NDAP fournie des résultats inédits en comparaison avec les composés étudiés dans la famille de KDP, en particulier la présence de la superconductivité à la température ambiante. Ce dernier point, paraît prometteur pour l'application de ce matériau dans divers domaines technologiques. D'autre part, l'amélioration considérable des propriétés physiques du composé KDP doublement substitué, permettant au composé KNDAP d'être un candidat potentiel pour couvrir les besoins technologiques dans le domaine de l'émission Laser, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour des applications militaires et fondamentales.

Les matériaux ferroélectriques possédant des propriétés diélectriques géantes font l’objet d’une grande attention scientifique, en grande partie à cause de leur utilisation et potentialités futures dans les dispositifs technologiques, en particulier en microélectronique. L’intérêt de ce travail porte sur l’étude des propriétés vibrationnelles de deux systèmes modèles : le relaxeur PbMg1/3Nb2/3O3 (PMN) monocristallin, et des nano-céramiques de SrTiO3 de tailles de grains contrôlées. Les travaux ont été menés essentiellement par une technique non-linéaire optique originale, la diffusion hyper-Raman (HR) de la lumière, et une attention particulière a été portée aux vibrations de basse fréquence. Des modèles structuraux pu être développés pour relier les signatures spectrales aux propriétés diélectriques de ses systèmes.Dans un premier temps, la spectroscopie hyper-Raman a été poussée à ses limites et a permis d’aboutir à une description convaincante de la dynamique de la polarisation électrique de PMN dans le domaine THz et ce, sur une gamme de température couvrant l’ensemble des différents états relaxeurs. L’hypothèse très répandue mettant en avant l’existence de deux modes mous polaires a ainsi pu être exclue. Les anomalies spectrales à haute température s’expliquent par un couplage entre un mode mou ferroélectrique unique et une vibration non-polaire dont le comportement est indépendant de la température. En refroidissant, l’éclatement du mode mou ferroélectrique révèle la formation d’une anisotropie polaire en dessous de 400-500 K. L’ensemble des modifications spectrales a été capturé dans un modèle simple qui rend également compte de la dépendance en température de la permittivité diélectrique.Dans une seconde partie, les expériences hyper-Raman ont été menées dans deux céramiques de titanate de strontium (SrTiO3) possédant des tailles de grains différentes, 80 nm et 150 nm. L’avantage de la diffusion hyper-Raman pour cette étude est sa propension à sonder les réponses spectrales individuelles du coeur et de la coquille des grains, alors que les techniques usuelles d’absorption infrarouge sondent un milieu effectif moyen. L’analyse spectrale révèle des propriétés de grains identiques dans les deux céramiques : même valeur et même dépendance en température de l’épaisseur de la coquille entourant le cœur, et permittivités diélectriques de cœur ainsi que de coquille identiques dans les deux cas. Un modèle structural reliant les propriétés vibrationnelles et la permittivité diélectrique effective confirme l’existence de deux coquilles entourant le cœur des grains.Ces travaux montrent par ailleurs qu’entre 150 nm et 80 nm, la diminution des propriétés diélectriques est principalement liée au rapport des volumes entre le cœur (haute permittivité) et les coquilles (basses permittivités). / Materials that exhibit giant dielectric properties have received a huge amount of attention from the scientific and industrial communities due to their potentialities and applications in technological devices, in particular for microelectronic applications. In this work, we are interested in studying the vibrational properties of a prototypical relaxor single crystal, PbMg1/3Nb2/3O3 (PMN), as well as nanoceramics of SrTiO3 (STO) with controlled grain sizes. The experiments have been mostly performed by hyper-Raman scattering (HRS), an original non-linear inelastic light scattering spectroscopy. Special attention was devoted to low frequency vibrations, and structural models were developed to relate the vibrational signatures to the giant dielectric responses of these systems.HRS spectroscopy was pushed towards its limit and provided a comprehensive picture of the polarization dynamics of PMN in the THz-range within the whole temperature sequence of its characteristic relaxor states. The widespread hypothesis of two paraelectric soft modes is convincingly excluded. The observation of the split ferroelectric mode reveals the local anisotropy below about 400 K. In contrast, the spectral anomalies observed at higher temperatures are explained as due to avoided crossing of the primary polar soft mode with a temperature-independent, non-polar spectral feature. The temperature changes of the vibrational modes involved in the measured fluctuation spectra of PMN were captured in a simple model that accounts for the temperature dependence of the dielectric permittivity as well.On the other hand, HRS experiments were carried-out on STO single crystal and nano-ceramics of different grain sizes, 80nm and 150nm. Contrary to IR-absorption which gives an effective spectral response of the core and the shell(s) constituting the grains, we show that hyper-Raman provides information of the individual core and shell responses. The spectral analysis reveals that except from their volume, the grains in the two ceramics exhibit very similar structures and properties: same value and temperature dependence of the shell thickness surrounding the core, and same dielectric response of the core as well as of the shell in the two samples. Structural models relating the vibrational properties to the effective dielectric permittivity were developed, and confirm that in STO the grains are composed by one core and two surrounding shells. We demonstrate that between 150 nm and 80 nm the decrease of the effective dielectric permittivity with grain size relates mostly to a change in core and shell volume fraction.

Depuis une vingtaine d'années, on assiste à l'essor de la téléphonie mobile. Ce mode de communication nécessite l'utilisation de filtres radiofréquences (RF) capables de sélectionner le signal utile à la réception comme à l'émission. La miniaturisation des téléphones a nécessité le développement de nouveaux types de filtres fondés sur l'utilisation d'ondes acoustiques et notamment les ondes de surface (SAW). Pour répondre aux enjeux modernes des filtres RF pour la téléphonie cellulaire (montée en fréquence, augmentation des puissances d'émission, réduction des dimensions), nous avons envisagé un autre type de transducteur fondé sur l'utilisation de domaines ferroélectriques alternés. En effet, des matériaux ferroélectriques tels que le niobate de lithium (LiNbO3) présentent une polarisation spontanée pouvant être inversée. De cette manière, les peignes interdigités classiquement utilisés dans les composants à ondes de surface peuvent être remplacés par des structures périodiques à domaines inversés. Ce travail de thèse a consisté à valider le principe de fonctionnement de ce nouveau type de transducteur et à prouver qu'il était possible de fabriquer des filtres à l'aide de ces Transducteurs Polarisés Périodiquement (TPPs). Une étude théorique réalisée à l'aide d'un logiciel de simulation alliant calculs par éléments finis et éléments de frontière ainsi que la conception et la fabrication de ces dispositifs sont présentées. Ce type de structures à domaines inversés ayant prouvé son intérêt, d'autres objets exploitant ce principe ont été conçus et fabriqués (guides d'ondes acoustiques, dispositifs électro-optiques et dispositifs à onde isolée).