Ce travail de thèse porte sur la compréhension et le contrôle du procédé de croissance de films de diamant nanocristallin (DNC) par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde distribué. Deux axes de travail ont été suivis pour atteindre ces objectifs : une étude « matériau » visant à étudier les mécanismes de germination et de croissance et les caractéristiques des films de DNC élaborés ; une étude « plasma » s’intéressant au diagnostic des décharges basse pression H₂ /CH₄/CO₂ utilisées pour la croissance.Concernant le premier volet, des techniques de caractérisation ex situ, telles que la microscopie électronique à balayage, à transmission haute résolution et à force atomique, la spectroscopie Raman, la diffraction des rayons X, la réflectométrie UV-visible, et in situ, telles que l’interférométrie de réflectance laser, ont été mises en oeuvre pour étudier la densité de germination, la morphologie, la topographie, la microstructure, la pureté et la vitesse de croissance des films de DNC. L’influence de certains paramètres du procédé, tels que la pression dans l’enceinte, la position du substrat, la composition gazeuse, la température de surface, la puissance micro-onde et le prétraitement ex situ du substrat, a été étudié pour le silicium. La synthèse de DNC jusqu’à une température aussi basse que 130 °C a ainsi pu être maîtrisée. La faisabilité de la croissance à cette température sur un matériau polymère comme le polytétrafluoroéthylène (PTFE) a été démontrée. La croissance de films de DNC sur d’autres types de substrats tels que le nitrure de silicium et l'acier inoxydable a également été examinée. Concernant la deuxième partie de ce travail, le diagnostic du plasma de dépôt a été effectué par spectroscopie optique d’émission et spectroscopie d'absorption infrarouge en utilisant comme sources de rayonnement des diodes lasers accordables en longueurs d’ondes et des lasers à cascade quantique à cavité externe. L’influence des conditions expérimentales, en particulier de la puissance micro-onde et de la pression dans l’enceinte, sur la concentration du radical méthyl CH₃, précurseur de croissance du diamant, et de cinq molécules stables (CH₄, CO₂, CO, C₂H₂, C₂H₆), ainsi que sur le degré de dissociation de H₂ et les températures cinétiques, vibrationnelles et rotationnelles des espèces, a été étudiée. Le degré de dissociation élevé des précurseurs gazeux, pour une température de gaz relativement faible de quelques centaines de kelvins, indiquent que la chimie du plasma est principalement gouvernée par des processus électroniques. Le système à plasma micro-onde distribué utilisé permet cependant de produire certaines espèces de croissance et de gravure en quantité comparable aux procédés de croissance de DNC conventionnels tout en permettant le processus de synthèse à basse température. / This PhD thesis focuses on the understanding and the control of the nanocrystalline diamond (NCD) film growth process by distributed antenna array microwave plasma-assisted chemical vapor deposition. Two approaches were followed to reach these objectives: a « material » study aiming at studying the nucleation and growth mechanisms and the characteristics of the synthesized NCD films; a « plasma » study focusing on the diagnostics of H₂/CH₄/CO₂ low-pressure discharges used for NCD growth.Concerning the first part of this work, ex situ characterization techniques, such as scanning and high resolution transmission electron microscopy, atomic force microscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction, UV-visible reflectometry, and in situ, such as laser reflectance interferometry, were used to study the nucleation density, morphology, topography, microstructure, purity, and growth rate of NCD films. The influence of some process parameters, such as chamber pressure, substrate position, gas composition, surface temperature, microwave power and ex situ substrate pretreatment, has been studied for silicon. The synthesis of NCD down to a substrate temperature as low as 130 °C has been thus investigated. The feasibility of NCD growth at this temperature on a polymeric material such as polytetrafluoroethylene (PTFE) has been demonstrated. The growth of NCD films on other kinds of substrates such as silicon nitride and stainless steel was also examined.Concerning the second part of this work, the diagnostics of the deposition plasma was carried out by optical emission spectroscopy and infrared absorption spectroscopy using wavelength-tunable laser diodes and external cavity quantum cascade lasers as radiation sources. The influence of the experimental conditions, in particular of the microwave power and the pressure in the chamber, on the concentration of the methyl radical CH₃, the diamond growth precursor, and of five stable molecules (CH₄, CO₂, CO, C₂H₂, C₂H₆), as well as on the degree of dissociation of H₂ and the kinetic, vibrational and rotational temperatures of the species, was studied. The high degree of dissociation of gas precursors, for a relatively low gas temperature of a few hundred degrees, indicates that the plasma chemistry is mainly governed by electronic processes. The considered distributed microwave plasma system nevertheless allows to produce some growth and etching species in amount comparable to conventional NCD growth processes, while permitting low temperature synthesis process.

De par leurs propriétés remarquables, les nanotubes de carbone (NTCs) reçoivent beaucoup d’attention et de nombreuses recherches sont menées sur ces matériaux depuis les dernières décennies. Le nombre d'applications envisagées mais aussi la quantité demandée de NTCs augmentent chaque année. Pour atteindre une production à grande échelle et contrôlée, il est nécessaire d'avoir une bonne compréhension des mécanismes de croissance des NTCs. Dans ce manuscrit, la formation ainsi que l'activité catalytique de nanoparticules (NPs) par dépôt chimique en phase vapeur assisté par aérosol (CVD) sont étudiées expérimentalement, pour analyser le processus d'évolution des NPs et leur relation avec les NTCs.Dans le chapitre 1, nous présentons une introduction générale sur des structures, les méthodes de synthèse, les propriétés et les applications envisagées des NTCs, ainsi que l’état de l’art concernant l’étude des mécanismes de croissance des NTCs.Dans le chapitre 2, nous décrivons le système de dépôt chimique en phase vapeur avec catalyseur flottant, ainsi que les méthodes de diagnostic in-situ/ex-situ utilisées dans cette étude. La technique d’incandescence induite par laser (LII) est particulièrement importante dans ce chapitre, car cette technique nous permet de réaliser un diagnostic in situ sur la quantité/taille des NPs déposées pendant le processus de synthèse.Dans le chapitre 3, nous présentons l'évolution des NPs lors de la synthèse ainsi que les influences des différents paramètres de CVD (température, quantité de carbone/catalyseur, composition du gaz, etc.) sur les gouttelettes et les NPs respectivement. Un modèle pour la formation de NPs est proposé à la fin de ce chapitre.Dans le chapitre 4, les résultats des expériences sur l'évolution de la composition du gaz sont révélés. Ces résultats donnent des informations concernant les réactions chimiques ayant lieu dans la phase gazeuse lors de la synthèse des NTCs.Dans le chapitre 5, une étude détaillée de l'influence des paramètres de CVD sur les produits NTCs est menée, et les relations entre les NPs et les NTC sont discutées.Pour finir, des conclusions générales ainsi que les perspectives prévues pour les travaux futurs sont présentées. / Due to the outstanding properties in various aspects, carbon nanotubes (CNTs) received worldwide attentions and intensive investigations are carried out in the last decades. While the number of applications as well as the quantity demanded of CNTs are increasing year after year, to achieve large scale production of the desired structures in a controlled way, it is highly required having a clear understanding about the CNTs growth mechanism. In this study, the formation and catalytic activity of nanoparticles (NPs) under aerosol-assisted chemical vapor deposition (CVD) is experimentally investigated, aiming to study the NPs evolution process and their relation with the CNTs products.In chapter 1, we provide a general review of CNTs structures, synthesis methods, properties as well as applications. Moreover, the current situation of CNTs growth mechanism study is presented.In chapter 2, the floating catalyst chemical vapor deposition synthesis system, and the in-situ/ex-situ diagnostic methods used in this study are introduced. Laser induced incandescence technique (LII) is particularly explained in this chapter, which permits to achieve an in-situ diagnostic of the NPs quantity/size during the synthesis process.In chapter 3, the evolution of NPs during the synthesis is presented, in which the influences of different CVD parameters (temperature, carbon/catalyst quantity, gas composition etc.) on the droplets as well as on the NPs are investigated respectively. A NPs formation model is proposed based on the NPs variation information at the end of this chapter.In chapter 4, the experimental results of the gas composition evolution in chemical vapor deposition reactor are revealed, which reflect the gas phase chemical reactions information during the CNTs synthesis.In chapter 5, a detailed investigation about the influence of CVD parameters on the CNTs products is explained. And the relation between the NPs and CNTs is discussed.In the end, general conclusions are formed according to works and perspectives are provided for the improvement of the future work.