Ce travail de thèse consiste en une étude approfondie du comportement de l'oxyde de silicium implanté Kr ou Xe pour son application comme matériau à faible constante diélectrique. Deux volets sont examinés: une étude structurale par l'utilisation de plusieurs techniques (RBS, PL, MET et PAS) et une étude de la variation de la constante diélectrique par utilisation de la spectroscopie IR avec le développement d'un modèle de la fonction diélectrique et des mesures C(V). Pour la caractérisation structurale, les principaux résultats confirment pour le cas du Kr, une distribution homogène de ce dernier jusqu'à 400°C. Pour le cas du Xe, le profil de distribution en profondeur de Xe est quasi-gaussien. Le Xe reste stable dans le SiO2 jusqu'à 900°C et désorbe à 1100°C et les bulles se transforment en cavités. Les bulles sont formées au niveau du pic des lacunes (p(lacunes)R). Alors qu’en l’absence des bulles, le Xe se localise à la profondeur de fin de parcours du Xe (RpXe) calculée par SRIM. On note aussi la présence de défauts chargés négativement et des défauts paramagnétiques E'. Ces défauts négatifs disparaissent après un recuit à 750°C. La forme des bulles, pour les deux cas Xe et Kr, est influencée par la position de l'interface SiO2/Si; sans doute à cause de la différence des modules d'Young des deux matrices. L'IR et les mesures C(V) ont permis de montrer que l'implantation des deux gaz fait diminuer la valeur de la constante diélectrique jusqu'à 2.8 pour le cas Kr et entre 1.8 et 2.4 pour le cas Xe. La cohérence des résultats obtenus par les deux techniques montrent bien que ces deux gaz rares peuvent être utilisés pour la réalisation de SiO2 de faible constante diélectrique avec un impact plus important quand le Xe est utilisé. Cette étude a permis aussi de montrer la contribution de la polarisabilité et de la porosité sur la réduction de la valeur de la constante diélectrique du SiO2 implanté. / This thesis aims to get a deep insight of Kr and Xe-implanted amorphous SiO2 for its possible application as low-k material. This work is divided in two parts: Two sides are examined: a structural study by using several techniques (RBS, PL, MET et PAS) and investigation of the evolution of the dielectric constant by using IR spectroscopy with a dielectric function model developing and C-V measurements. From structural characterization, our main results confirm, in the case of Kr implantation, an homogeneous distribution for temperature up to 400°C. For Xe, the distribution profile is quasi-gaussian. Xe remains stable in SiO2 then desorbs completely at 1100°C. We demonstrated that Xe-bubbles are located at the projected range of vacancies (RPV) as simulated by SRIM. However, we also showed that if Xe dose is not higher enough to induce bubbles, Xe is located at RP. Such a behavior helps understanding the formation of Xe-bubbles in SiO2. We reported the presence of negative defects charge and the paramagnetic defects E'. These defects disappear after 750°C annealing. The shape of bubbles induced by both Kr and Xe is SiO2/Si interface dependent. They are spherically shaped when interface is closed and quite irregular when this one is far. Differences in Young Modulus of Si and SiO2 can probably explain such a behavior. IR and C-V measurements show that Xe and Kr implantation result in decreasing the dielectric constant value down to 2.8 in the Kr case and in the range 1.8-2.4 in the Xe case. The good agreement between k values provided by IR and C-V measurements clearly valids the fact that Kr or Xe-implantation in SiO2 is a powerful approach to building low-k dielectrics. With Xe leading to a higher decrease. This study has also pointed out the contribution of both the polarisability and the porosity in the reduction of the dielectric constant of the implanted SiO2.

Les films minces à matrice diélectrique contenant des nanocristaux de Si peuvent avoir diverses applications potentielles telles qu'en nanoélectrique pour la conception de dispositifs à mémoire ou en optoélectronique dans la mise en oeuvre de cellules photovoltaïques à haut rendement ou l'élaboration d'un laser à base de silicium. Dans un premier temps, nous avons employé l'ellipsométrie spectroscopique pour décrire les propriétés optiques des films de nitrure de silicium enrichi en silicium (SRSN), essentiellement élaborés par dépôt chimique en phase vapeur puis soumis à un recuit thermique rapide (RTA). Nous avons montré qu'il est possible de prédire à l'aide d'un critère purement optique la détection, au microscope électronique en transmission, des nanoparticules de Si (NP-Si) dans les couches SRSN. Le recuit de type RTA conduit à la formation de fortes densités de nanoparticules de Si dans les couches composites SRSN. Les propriétés optiques des NP-Si ont été calculées par trois méthodes différentes : inversion numérique longueur d'onde par longueur d'onde (sans aucun paramètre d'ajustement), et modèles de dispersion de Forouhi-Bloomer et Tauc-Lorentz (avec 5 paramètres d'ajustement). L'évolution des paramètres de cette dernière formule révèle la présence de silicium amorphe confiné dans nos couches. Nous avons également mis en évidence le rôle déterminant du rapport des flux de gaz précurseurs RQ (=QNH3/QSiH4) ainsi que de la température de recuit Tr sur les propriétés optiques des films SRSN mais aussi des NP-Si qu'ils contiennent. En effet une légère augmentation de RQ induit une variation significative du spectre de la fonction diélectrique des NP-Si... / Thin composite films containing Si nanocrystals within a dielectric matrix may have several potential applications such as in nanoelectronics for the design of memory devices or in optoelectronics in view of the implementation of high-efficiency solar cells or the development of a silicon-based laser. Initially, we used spectroscopic ellipsometry in order to describe the optical properties of silicon-rich silicon nitride films (SRSN), mainly produced by chemical vapor deposition and thereafter subjected to rapid thermal annealing (RTA). We showed that the presence of Si nanoparticles (Si-NPs), that are observable by transmission electron microscopy, can be predicted by using a purely optical criterion. The RTA annealing leads to the formation of high densities of Si nanoparticles in the composite films. The optical properties of the Si-NPs have been calculated by three different methods: wavelength-by-wavelength numerical inversion (without any fitting parameters). The evolution of the parameters of this latter formula reveals the presence of confined amorphous Si-NPs in the investigated samples. We also highlighted the role of the flows ratio of the precursor gases RQ (=QNH3/QSiH4) and the annealing temperature TR on the optical properties of both the films and the Si-NPs they contain. Indeed a slight increase in RQ induced a significant variation in the spectrum of the dielectric function of the Si-NPs. On the other hand, the influence of the annealing temperature is noticeable beyond 950°C, and results in an increase of the amplitude and a reduction of the broadening of the...

Ce travail porte sur la caractérisation de matériaux en couches minces par spectroscopie terahertz dépendant du temps. Dans ce but, nous avons élaboré un banc d’analyse spectroscopique dont l’émission et la détection terahertz reposent sur l’utilisation de laser femtoseconde, de semi-conducteurs, de photocommutateurs ultrarapides ou de cristaux électro-optiques. La réponse diélectrique quantitative de matériaux ferroélectriques (titanate de baryum/ - Ba1-xSrxTiO3) déposés sous forme de couches minces, a permis de mettre en évidence l’importance des modes mous de phonon par une étude en température. Enfin, le comportement électromagnétique de polymères conducteurs à base de polyaniline a été effectué notamment leur efficacité de blindage en bande millimétrique et submillimétrique. / This work concerns the characterization of thin film materials by terahertz time domain spectroscopy. For this purpose, we elaborated a terahertz setup in which the terahertz emission and terahertz detection are based on the use of femtosecond laser, semiconductors, ultrafast photoswitches or electro-optic crystals. The study of dielectric function of ferroelectrics thin film (barium titanate/-Ba1-xSrxTiO3) with temperature, give the importance of soft phonon mode. Finally, the electromagnetic behavior of conducting polymers based on polyaniline was made, in particular their shelding effectiveness in millimeter and sub-millimeter length.

Avec l'augmentation de la température, certains composés oxydes, transparents dans le proche infrarouge, deviennent progressivement opaques à l'approche de la fusion. Un tel comportement est inhabituel et impacte profondément leurs propriétés radiatives. Afin de comprendre ce phénomène, des mesures par spectroscopie d'émission infrarouge ont été effectuées depuis la température ambiante jusqu'à la fusion sur plusieurs oxydes cristallins (Mg2SiO4, LiAlO2, LiGaO2, ZnO, YAlO3, LaAlO3, LiNbO3, MgO). Ces données ont été complétées ponctuellement par des mesures de conductivité électriques, de RMN et de diffraction des rayons X en température. L'analyse des données expérimentales du facteur d'émission menée à l'aide d'un modèle de fonction diélectrique semi-quantique et incluant un terme de Drude étendu, a permis de caractériser finement la réponse de ces matériaux et de proposer une origine physique pour le mécanisme responsable de l'opacification. Le phénomène est thermiquement activé et peut être expliqué par la formation et la mobilité de polarons. Ce travail a également montré l'existence d'un lien étroit entre la microstructure des composés et les caractéristiques de l'opacification.

Cette étude, expérimentale et théorique, de physique des surfaces développe une méthode basée sur la spectroscopie de perte d'énergie des photoélectrons, pour déterminer les propriétés électroniques d'un matériau à partir de mesures XPS. Sur la base de la physique de la photoémission dans un solide homogène, la technique XPS-PEELS donne accès à la fonction de perte d'énergie ELF(E, q) liée à la partie imaginaire et la fonction diélectrique sur une large plage d’énergie (environ 50 eV) avec une sensibilité typique de ≈ 5 nm en profondeur. Dans les métaux ou les semi-conducteurs à faible gap, qui présentent un chevauchement important entre le pic quasi-élastique ZLP(E) et la région des pertes d'énergie, la technique est rendue applicable par la méthode de transformée de Fourier développée dans cette thèse. Les distributions en énergie de la source de rayons X et de la fonction d’appareil sont directement mesurées. La forme asymétrique du pic quasi-élastique ZLP(E) est obtenue à partir de la densité d’états électroniques (calcul par une méthode DFT), à l’aide du modèle de Hopfield-Wertheim-Citrin décrivant la réponse des électrons de valence à la création du trou (théorie multi-corps). L'algorithme XPS-PEELS utilise l'ensemble du spectre sans soustraction empirique d’une ligne de base. Il considère deux types d'excitations de plasmon - intrinsèques et extrinsèques - avec des taux de création différents mais impose la même distribution en énergie. Cette méthode originale permet d’accéder à des excitations électroniques de faible énergie (pertes proches du pic XPS) ; dans le cas de l'aluminium métallique, la transition inter-bandes est observée à 1.80 eV. En tant que technique de spectroscopie électronique, les effets de dispersion de la fonction de perte ELF(E, q) ont été considérés en utilisant un code TD-DFT (Exciting); quel que soit le niveau d'approximation (RPA, ALDA, LRC), les calculs ne décrivent pas correctement la largeur du spectre ELF expérimental (2.3 eV). À la fin du travail, nous comparons la méthode de la transformée de Fourier avec une méthode empirique d'élimination du pic élastique, valable pour les isolants, dans le cas de l'oxyde d'aluminium Al₂O₃. / This surface physics study, experimental and theoretical, develops a technique based on the energy loss spectroscopy of photoelectrons, to determine electronic properties of a material from XPS measurements. Based on the physics of photoemission in a homogeneous solid, the XPS-PEELS technique provides the energy loss function ELF(E, q) related to the imaginary part and the dielectric function with energy extension up to 50 eV and a typical sensitivity of ≈ 5 nm in depth. In metals or low-gap semiconductors, with important overlap between the elastic peak and the energy loss region, the technique became applicable by the Fourier transform method developed in this thesis. In addition to the distribution of the X-ray source and analyzer apparatus function, the asymmetric shape of the no-loss peak ZLP(E) is based on the calculation of the Density of Electronic States (DFT method) and the Hopfield-Wertheim-Citrin model describing the response of valence electrons to the creation of the hole (many body theory). The XPS-PEELS algorithm uses the entire spectrum without any empirical background subtraction. It considers two types of plasmon excitations - intrinsic and extrinsic - with different rates of creation but imposing the same distribution in energy. This original method was applied to the aluminum metal, allowing the analysis of the loss function and revealing interband excitations (1.80 eV) at low energy, very close to the no-loss peak. As an electron spectroscopy technique, dispersion effects of the loss function ELF(E, q) were considered using a TD-DFT code (Exciting); for any level of approximation (RPA, ALDA, LRC), the calculations do not describe properly the high width (2.3 eV) of the experimental ELF. At the end of the work, we compare the Fourier transform method with an empirical method of elastic peak elimination, valid for insulators, in the case of aluminum oxide Al₂O₃.

Ce travail combine études expérimentales et théoriques au seuil K du lithium dans le but de permettre une meilleure compréhension des propriétés des matériaux pour électrodes de batteries au lithium. Les spectres de pertes d'énergie des électrons (EELS) sont interprétés grâce à des simulations des structures proches du seuil (ELNES) et à des calculs de structures électroniques, tous basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). Après un descriptif concis de la DFT, les deux approches utilisées pour la simulation des spectres (la théorie de Bethe et le calcul de la fonction diélectrique) ainsi que les codes de calculs associés sont revus en détail. Le deuxième chapitre porte sur les aspects expérimentaux : il insiste particulièrement sur le contrôle de l'oxydation des échantillons et le traitement des spectres. La simulation du seuil K du lithium fait l'objet du troisième chapitre. Les difficultés liées aux états de semi-coeur 1s du lithium sont alors mises en avant et l'importance des effets d'écrantage liés aux seuils M2,3 des métaux de transition sur le seuil K du lithium discutés. Les calculs montrent par ailleurs la faible influence des effets de champs locaux à ce seuil. Enfin, le dernier chapitre porte sur l'étude systématique d'une famille de composés pour électrodes négatives, de formulation LixTiP4 (2 < x < 11). Grâce à l'analyse des structures ELNES, il est démontré que le lithium est préférentiellement inséré en site tétraédrique pour les faibles teneurs x. D'autre part, la comparaison des spectres obtenus en oxydation et en réduction confirme la nature biphasée du composé pendant la phase d'oxydation.

La thèse traite de la synthèse et de la caractérisation d'absorbeurs UV inorganiques de deuxième génération. L'analyse de leurs propriétés optiques est effectuée au moyen de la spectroscopie de pertes d'énergie (EELS) et de calculs de la fonction diélectrique par DFT. Cette démarche est appliquée à l'étude de borates de cérium III, d'oxydes de cérium IV, d'oxiphosphates, silicates et oxisilicates de titane et des solutions solides A3PMo(12-x)WxO40 (A = Na, K, Rb). L'étude des borates montre que l'intensité de la transition Ce4f-5d est d'un ordre de grandeur inférieure à celle d'un transfert de charge anion-cation, la rendant inefficace pour l'application absorbeur UV. Pour les autres composés, l'étude qualitative et quantitative du transfert de charge oxygène-métal (ou lanthanide) permet de mettre en exergue le rôle primordial de la coordinence des éléments impliqués dans le processus d'absorption, et de la covalence de la liaison oxygène-métal (ou lanthanide), sur la position du seuil d'absorption, l'intensité de la transition et, par conséquent, l'indice de réfraction. Par ailleurs, K3PMo12O40, matériau contenant des entités discrètes de type ion de Keggin, présente des propriétés optiques (coefficients Lab) tout à fait comparable à celles des pigments jaunes commerciaux. L'utilisation des solutions solides molybdène-tungstène, permet de faire varier le seuil d'absorption entre 2,5 et 3,2 eV, et de réduire la réductibilité du composé.

La matière dense et tiède (WDM) est un régime caractérisé par une densité proche du solide pour une température avoisinant celle de Fermi. Pour étudier cet état de la matière, dans cette thèse, une expérience d'interférométrie dans le domaine des fréquences est mise en place afin de mesurer la phase et la réflectivité - dans les deux directions de polarisation S et P - d'une onde sonde en réflexion sur un échantillon chauffé de manière très brève par une impulsion laser ultra-courte (sub-100fs). Il est alors porté dans un état hors-équilibre. Une méthode basée sur les mesures de réflectivité est mise en place pour contrôler la forme de l'interface entre le vide et la matière chauffée. Pour des fluences laser de l'ordre de 1 J/cm2, l'hydrodynamique d'un échantillon chauffé est étudiée par la mesure du déplacement de la surface et comparée au code hydrodynamique à deux températures ESTHER. Ensuite, la fonction diélectrique à 800 nm et 400 nm est déduite des mesures expérimentales et certaines quantités en sont extraites comme la densité électronique, la température électronique et les fréquences de collision en régime WDM. Elles sont par la suite comparées avec des modèles couramment utilisés.

Avec l’augmentation de la température, certains composés oxydes, transparents dans le proche infrarouge, deviennent progressivement opaques à l’approche de la fusion. Un tel comportement est inhabituel et impacte profondément leurs propriétés radiatives. Afin de comprendre ce phénomène, des mesures par spectroscopie d’émission infrarouge ont été effectuées depuis la température ambiante jusqu’à la fusion sur plusieurs oxydes cristallins (Mg2SiO4, LiAlO2, LiGaO2, ZnO, YAlO3, LaAlO3, LiNbO3, MgO). Ces données ont été complétées ponctuellement par des mesures de conductivité électriques, de RMN et de diffraction des rayons X en température. L’analyse des données expérimentales du facteur d’émission menée à l’aide d’un modèle de fonction diélectrique semi-quantique et incluant un terme de Drude étendu, a permis de caractériser finement la réponse de ces matériaux et de proposer une origine physique pour le mécanisme responsable de l’opacification. Le phénomène est thermiquement activé et peut être expliqué par la formation et la mobilité de polarons. Ce travail a également montré l’existence d’un lien étroit entre la microstructure des composés et les caractéristiques de l’opacification. / With increasing temperature, some oxide compounds that are transparent in the near infrared range become progressively opaque when approaching the liquid phase. Such a behavior is unusual and deeply impacts their thermal radiative properties. To understand this phenomenon, infrared emittance spectra were acquired from room temperature up to the liquid state on several crystalline oxides (Mg2SiO4, LiAlO2, LiGaO2, ZnO, YAlO3, LaAlO3, LiNbO3, MgO). These data have been selectively completed by electrical conductivity measurements, NMR and X-ray diffraction experiments versus temperature. The analysis of the experimental emittance data with a semi-quantum dielectric function model including an extended Drude term, allowed to characterize finely the material responses and to suggest a physical origin for the opacification mechanism. The phenomenon is thermally activated and can be explained by the formation and the mobility of polarons. This work also showed the existence of a close link between the material microstructure and the characteristics of the opacification.

La matière dense et tiède (WDM) est un régime caractérisé par une densité proche du solide pour une température avoisinant celle de Fermi. Pour étudier cet état de la matière, dans cette thèse, une expérience d'interférométrie dans le domaine des fréquences est mise en place afin de mesurer la phase et la réflectivité - dans les deux directions de polarisation S et P - d'une onde sonde en réflexion sur un échantillon chauffé de manière très brève par une impulsion laser ultra-courte (sub-100fs). Il est alors porté dans un état hors-équilibre. Une méthode basée sur les mesures de réflectivité est mise en place pour contrôler la forme de l'interface entre le vide et la matière chauffée. Pour des fluences laser de l'ordre de 1 J/cm2, l'hydrodynamique d'un échantillon chauffé est étudiée par la mesure du déplacement de la surface et comparée au code hydrodynamique à deux températures ESTHER. Ensuite, la fonction diélectrique à 800 nm et 400 nm est déduite des mesures expérimentales et certaines quantités en sont extraites comme la densité électronique, la température électronique et les fréquences de collision en régime WDM. Elles sont par la suite comparées avec des modèles couramment utilisés. / The Warm Dense Matter (WDM) regime is characterised by a density close to the solid density and an electron temperature close to the Fermi temperature. In this work, the nonequilibrium Warm Dense Matter is studied during the solid to liquid phase transition induced by an ultra short laser interacting with a solid. A 30 femtoseconds time resolution pump-probe experiment (FDI) is set up, yielding to the measurement of the heated sample complex reflectivity for both S and P polarisation.We have determined a criterion based on the measured reflectivities, which permits to control the interface shape of the probed matter. For pump laser fluences around 1 J/cm2, the hydrodynamics of the heated matter is studied and experimental results are compared to the two-temperatures code ESTHER. Furthermore, the evolution of the dielectric function at 800 nm and 400 nm is inferred from our measurements on a sub-picosecond time-scale. Within the Drude-Lorentz model for the conduction electrons, the dielectric function yields information such as ionisation state, electronic temperature and electron collision frequency.