Présenté initialement à l'agence spatiale américaine par P. Glaser comme une source potentielle d'énergie alternative renouvelable et propre, le projet de Centrales Solaires Orbitales est basé sur le concept de Transport d'Energie Sans Fil (TESF). Le principe consiste à collecter directement dans l'espace l'énergie solaire, puis à la transmettre vers une base de réception terrestre, via un faisceau hyperfréquence. Dans le cadre des actions menées dans le domaine du TESF au niveau terrestre, une solution technologique permettant de répondre au cahier des charges imposé au système d'émission a retenu notre attention : mettre en oeuvre un réseau d'antenne phasé alimenté par des magnétrons de moyenne puissance. Dans cette optique, ce travail de recherche présente une approche originale du contrôle des grandeurs de sortie d'un magnétron opérant en situation de verrouillage par injection. Afin de prendre en compte le comportement non linéaire du magnétron, une stratégie de contrôle hybride a été mise en oeuvre pour le contrôle de la fréquence et de l'amplitude d'un magnétron de moyenne puissance (2.45 GHz) verrouillé par injection et débitant sur une charge fixe. L'aspect hybride est constitué par l'association d'un algorithme de Contrôle Direct Inverse impliquant un réseau de neurones non linéaires modélisant la fonction de transfert inverse du magnétron, avec un correcteur linéaire en boucle fermée de type PID. Le développement d'un dispositif de caractérisation expérimentale d'un magnétron verrouillé par injection a permis de collecter des bases de mesures nécessaires à un apprentissage supervisé et généralisé pour l'identification du contrôleur neuronal. Les meilleures performances en terme de conduite du magnétron ont été obtenues avec une boucle de contrôle effectuant une permutation dynamique entre le correcteur neuronal non linéaire et le correcteur linéaire PID tout en assurant une stabilité de la phase sur l'ensemble de la bande de verrouillage

Le groupe HEF (Hydromécanique Et Frottements), premier équipementier et façonnier français en traitements de surface par plasmas hors microélectronique, utilise dans ses procédés industriels des sources plasma micro-onde multi-dipolaires fonctionnant sur le principe de la résonance cyclotronique électronique pour la réalisation de dépôts de type DLC par PACVD, et pour l'assistance ionique à la croissance de couches CrN par pulvérisation magnétron réactive. Suite à la présentation de l'utilisation de ces sources pour des dépôts de DLC et des ajustements nécessaires pour leur mise en œuvre industrielle, les travaux de cette thèse portent sur le développement de nouvelles sources plasma micro-onde en vue d'améliorer l'uniformité des traitements de surface dans le volume du réacteur ainsi que la productivité des réacteurs plasma pour le dépôt de ces couches. Les résultats obtenus sont intéressants puisque le développement d'une source étendue a permis d'augmenter la vitesse de dépôt des couches DLC sans dégradation des propriétés mécaniques et d'obtenir une uniformité similaire à celle obtenue avec les sources multi-dipolaires en utilisant deux fois moins d'applicateurs micro-onde. Les réflexions portant sur l'amorçage du plasma ont permis d'identifier les voies d'amélioration de cette source pour valider son utilisation en milieu industriel. L'utilisation de cette source étendue pour l'assistance ionique à la croissance de couches telles que le nitrure de chrome CrN par pulvérisation magnétron réactive a démontré un potentiel intéressant en termes de propriétés mécaniques obtenues et a permis d'identifier des axes de développement de cette configuration.

La miniaturisation des composants électroniques implique une forte demande en microsources d'énergie. Les microbatteries au lithium sont tout à fait adaptées à ces applications. Cette étude porte sur des matériaux d'électrode positive et d'électrolyte solide pour une utilisation dans des microbatteries au lithium développées par la société HEF. Les couches minces ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron. L'étude de ces couches minces TiOySz par diffraction des rayons X et par spectroscopies Auger et Raman ont permis d'établir l'influence des conditions de dépôt sur leurs propriétés structurales, morphologiques et électrochimiques. Ce sont les couches épaisses, denses et très soufrées qui présentent les meilleures capacités de cyclage. Ces travaux pourront permettre un transfert du procédé de dépôt au niveau industriel. Un aspect plus théorique concerne l'utilisation d'un indice de formation d'une phase amorphe pour prédire le comportement d'un matériau d'électrode lors de l'insertion d'un grand nombre d'ions lithium. Enfin, des couches minces vitreuses ont été déposées sous atmosphère d'azote afin de les nitrurer et de développer un nouvel électrolyte solide pour les microbatteries tout solide.

Le masque des tubes cathodiques est un élément déterminant pour la qualité de l'image d'un téléviseur. Le masque est une grille de fer (Fe) oxydée sous forme de magnétite (Fe3O4). Le bombardement électronique subi par le masque génère des gradients de température. Il s'en suit une déformation du masque. L'image perd alors en contraste et en brillance. L'étude a porté sur la détermination, l'élaboration et la caractérisation d'une couche mince limitant ce gradient de température. Le matériau choisi pour cette couche protectrice est le tungstène (W) associé au fer (Fe) sous sa forme oxyde de fer : Fe3O4. Le tungstène est un matériau réfractaire avec un haut coefficient de rétrodiffusion des électrons. De plus, la magnétite possède un bon coefficient d'émissivité thermique. Ces deux propriétés sont essentielles pour éviter la déformation due au gradient de température. L'étude a porté sur les dépôts de couches minces (système bicouche) Fe3O4/W mais aussi alliage Fe-W sur substrat de Fe (matériau du masque). Les dépôts ont été réalisés par pulvérisation magnétron au moyen d'un générateur à décharge continue (pulsée ou non) avec ou sans l'assistance d'un plasma auxiliaire radiofréquence créé par une antenne interne. Pour tenter d'obtenir une couche mince de Fe3O4, nous avons étudié les oxydations ex-situ après dépôts ainsi qu'in-situ pendant ou après dépôts (en les comparant entre elles). Les caractérisations ont concerné l'étude de la structure (microscopie électronique, diffraction des rayons X), l'adhérence (test scotch et diffraction X sous traction), la composition (Spectroscopie de Rétrodiffusion Rutherford et Analyse par Réaction Nucléaire) et la mesure des propriétés optiques infrarouge et thermiques.

Ce travail porte sur la synthèse de couches minces de nanoparticules de silicium (np-Si) encapsulées dans une matrice diélectrique en vue d'une application en tant que couche active pour les cellules solaires de 3ème génération. La technique utilisée pour la synthèse des np-Si est la pyrolyse laser. Cette technique nous a permis d'obtenir des np-Si cristallines d'environ 5 nm de diamètre avec une distribution en taille étroite. Par ailleurs, l'utilisation de gaz précurseurs spécifiques (PH₃, B₂H₆) dans le mélange réactionnel a rendu possible le dopage (type n ou p) des np-Si. Le dopage effectif des np-Si a pu être mis en évidence par des mesures de résonance paramagnétique électronique (RPE). Des films de np-Si seules ont pu être déposés in-situ via la création d'un jet supersonique de gaz contenant les particules de silicium. Les caractérisations optoélectroniques de ces couches ont montré un effet de confinement quantique fort au sein de films, garantissant ainsi un élargissement important du gap du silicium de 1.12 eV (pour le silicium massif) à environ 2 eV (pour les np-Si) ; prérequis indispensable pour réaliser une cellule tandem tout silicium. Des mesures de résistivité sur ces films ont permis de confirmer l'activité des dopants au sein des np-Si. Pour les np-Si dopées au phosphore une diminution de la résistivité de plus de 5 ordres de grandeurs par rapport au np-Si intrinsèques a été observée. Le couplage entre la pyrolyse laser et la pulvérisation magnétron via notre dispositif original de synthèse s'est révélé parfaitement adapté à l'élaboration de couches minces nanocomposites np-Si/SiO₂. Un comportement de type diode a pu être mis en évidence sur une jonction constituée par la superposition d'une couche nanocomposites (type n) sur un substrat de silicium massif (type p). Au-delà de la simple application au photovoltaïque, le procédé couplé, largement éprouvé et optimisé au cours de ce travail de thèse, pourrait permettre la réalisation d'une multitude de couches nanocomposites différentes, puisque la nature chimique des particules et de la matrice peuvent être choisies indépendamment.

L'analyse X par microsonde électronique (EPMA : Electron Probe MicroAnalysis) d'éléments légers, ayant des raies d'émission dans la gamme spectrale comprise entre 180 et 550 eV, requiert des cristaux analyseurs performants basés sur l'utilisation de revêtements interférentiels multicouches. Les composants optiques asphériques, tels que les ellipsoïdes de révolution, permettent de focaliser dans deux dimensions les rayons X en une seule réflexion, et ainsi de collecter plus de flux et d'atteindre des limites de détection plus faibles qu'avec les composants optiques actuellement utilisés. Nous avons étudié et développé différents systèmes multicouches, destinés à réfléchir les raies d'émission Ka de l'azote, du bore et de l'oxygène, et possédant à la fois de bonnes propriétés optiques, une bonne stabilité temporelle et thermique, ainsi qu'une bonne tenue mécanique. Les multicouches Cr/Sc développées pour la raie d'émission Ka de l'azote ont atteint des réflectivités maximales de 37% et se sont avérées très stables temporellement et thermiquement. Afin d'améliorer les performances des analyseurs, nous avons développé des revêtements antireflets dans le domaine XUV, permettant d'optimiser le rapport signal sur bruit. Les résultats très positifs obtenus dans cette première phase d'étude ont permis d'entreprendre le développement de composants optiques asphériques. Pour cela, le dépôt de la multicouche doit respecter un profil à gradient de période, afin de compenser la variation des angles d'incidences sur l'optique. Le développement de ce procédé de dépôt a permis de fabriquer plusieurs prototypes d'optiques pour l'EPMA pour la détection de la raie d'émission Ka de l'azote.

Les matériaux actifs appliqués actuellement, comme les piézoélectriques et les magnétostrictifs, peuvent respectivement changer leur forme par l'application d'un champ électrique, et d'un champ magnétique. La portée des allongements relatifs de ces matériaux, est typiquement de l'ordre de 0,1%. En 1996, un nouveau mécanisme fondamental d'actionnement a été découvert dans la phase martensite d'alliages magnétiques à mémoire de forme. Dans les monocristaux d'alliages Ni-Mn-Ga, l'optimisation de ce nouvel effet mémoire de forme a conduit, en 2002, à l'observation d'allongements relatifs qui atteignent 10%. De telles déformations sont liées au réarrangement, induit magnétiquement, de la structure martensitique maclée. De plus, elles ont été observées sous des champs magnétiques relativement faibles, inférieurs au tesla. Grâce à la combinaison unique d'une très grande déformation, d'une haute densité d'énergie, et d'une fréquence d'actionnement magnétique qui est relativement élevée, les alliages magnétiques à mémoire de forme ouvrent la porte à de nouvelles applications, qui ne peuvent pas être réalisées avec les matériaux actifs classiques. En collaboration avec Schneider Electric, et dans le but d'utiliser le potentiel élevé de miniaturisation de l'effet mémoire de forme magnétique, les recherches se sont concentrées sur la réalisation de films Ni-Mn-Ga dans ce travail de thèse. Les recherches menées se sont articulées autour de deux grands axes. L'étude s'est dans un premier temps focalisée sur la recherche d'un procédé, qui permet la libération de films Ni-Mn-Ga, avant le recuit à haute température. Une deuxième part des investigations s'est concentrée sur l'obtention et l'étude de films Ni-Mn-Ga déposés épitaxiallement. Une solution innovante, directement inspirée des techniques de la micro-électronique, a été développée pour libérer des films Ni-Mn-Ga. Un travail d'élaboration conséquent a été réalisé et a abouti à l'obtention de films libres polycristallins à texture de fibre, qui possèdent des propriétés magnétiques comparables aux massifs, et qui présentent des transformations martensitiques réversibles. Un deuxième axe de recherche s'est concentré sur l'élaboration et l'étude de films Ni-Mn-Ga déposés épitaxiallement. Là encore, un travail important d'élaboration a dû être mené. Afin de contrôler précisément la composition des films déposés épitaxiallement sur MgO (001), un procédé de copulvérisation a été développé. L'effet mémoire de forme magnétique des alliages Ni-Mn-Ga, se produit uniquement dans certaines phases martensites modulées, dont la nature est encore énormément débattue aujourd'hui. Nous verrons que l'analyse détaillée des structures et textures de nos films déposés épitaxiallement, a permis de mieux comprendre la nature des martensites modulées des alliages Ni-Mn-Ga. De plus, dans nos films, les champs d'activation du réarrangement de la martensite maclée sont de seulement quelques centièmes de tesla, nettement inférieurs à ceux rapportés dans les matériaux massifs. Ce résultat relance fortement l'intérêt d'utiliser des films dans la réalisation d'actionneurs utilisant l'effet mémoire de forme magnétique.

Le but de ce travail est d'élaborer de nouveaux revêtements anti-usure à base de nitrure de chrome, de carbure et de carbonitrure de titane par dépôt physique en phase vapeur afin d'améliorer la résistance à l'usure à sec des outils de coupe du bois.Des revêtements binaires de CrN et de MoN, ternaires de Cr-Mo-N et de Ti-W-C et quaternaires de Ti-W-C-N ont été déposés sur des outils de coupe en carbure de tungstène et en acier et sur des substrats de silicium par pulvérisation magnétron RF en utilisant différentes cibles (Cr, Mo, Ti et WC) sous différentes atmosphères (Ar, Ar + N2, Ar + CH4 et Ar + N2 + CH4).L'influence de la pression de travail, des ratios des gaz plasmagènes, des tensions d'auto-polarisation des cibles, de la température des substrats et de celle du recuit sur les propriétés des revêtements ont été étudiées, en utilisant l'EDS, la WDS, l'XPS, la DRX, le MEB, le MET, l'AFM, la microscopie optique, l'interférométrie optique (2D et 3D), le Scratch test, l'essai Daimler, la nanoindentation et la tribométrie alternative et rotative. L'objectif est d'établir une corrélation entre le comportement tribologique des revêtements étudiés et leurs propriétés physico-chimiques et mécaniques.Les revêtements optimaux présentant la meilleure résistance à l'usure à sec ont été testés en usinage de l'épinette noire à l'échelle industrielle dans des conditions sévères (-20/-25 °C). Les résultats montrent que grâce à l'emploi des revêtements de Cr-Mo-N, Ti-W-C et de Ti-W-C-N, la durée de vie des outils coupants a été augmentée de 47 à 77 % par rapport à l'outil non revêtu.Mots clés: revêtement, (Cr-Mo)N, (Ti-W)(C,N), propriétés physico-chimiques, propriétés mécaniques, comportement tribologique, usinage bois

Les nickelates de terres rares de formule générale Ln2NiO4+δ (Ln = La, Pr, ou Nd) suscitent un fort intérêt, aussi bien au niveau théorique qu’au niveau expérimental, en raison notamment de leur propriétés thermo-radiatives exceptionnelles de type corps noir. De nombreux industriels s’intéressent ainsi aux émetteurs thermiques par émission infrarouge, afin de remplacer le procédé de chauffage classique par convection. Le pouvoir émissif de ces matériaux est intimement lié à leurs propriétés intrinsèques et extrinsèques. Les propriétés intrinsèques d’un matériau correspondent à sa composition chimique, son épaisseur, et ses indices optiques, tandis que les propriétés extrinsèques dépendent plutôt de sa texture (rugosité, porosité, taille de grains et de pores, joints de grain, etc.), et la présence éventuelle d’impuretés. Des revêtements de Pr2NiO4+δ ont été déposés sur substrats polycristallins et monocristallins par pulvérisation cathodique magnétron radiofréquence, combiné avec un traitement thermique approprié à 1100◦C. L’analyse par diffraction des rayons X a révélé la composition biphasique des revêtements, avec la présence d’une surstoechiométrie en oxygène. La morphologie des surfaces a été étudiée par MEB, AFM et profilométrie, révélant l’aspect rugueux et poreux des couches déposées. Les propriétés thermo-radiatives ont été étudiées par spectroscopie infrarouge. L’émissivité spectrale normale a été mesurée de 300 K jusqu’à 1400 K, confirmant les fortes propriétés d’émissivité des revêtements de Pr2NiO4+δ , même pour une faible épaisseur de 1,5 μm. Dans le moyen infrarouge, une émissivité totale de 0,87 a été obtenue pour une épaisseur de 2,8 μm. / Rare earth nickelate oxides Ln2NiO4+δ (Ln = La, Pr, and Nd) have attracted considerable interest for both theoretical and experimental studies especially due to their pseudo-high black body behavior. Advanced industry takes a particular interest in applications based on infrared radiation heater, which tend to replace the classical heating convection. Thermal radiative properties of materials are intimately related to their intrinsic and extrinsic characteristics. Intrinsic properties concern chemical composition, thickness layer and complex refractive index, while extrinsic properties refer to the texture (roughness, porosity, grain and pore sizes and grain boundaries) and the presence of impurities. Pr2NiO4+δ coatings have been obtained on both polycrystalline and monocrystalline substrates by combining RF magnetron co-sputtering with an appropriate heat treatment at 1100◦C. X-ray diffraction spectroscopy analysis revealed a biphasic Pr2NiO4+δ compound, with an oxygen over-stoichiometry. The surface analysis was probed by SEM, AFM and profilometry, and showed a rough and porous granular aspect for all the deposited layers. Thermal radiative properties were studied by infrared optical spectroscopy. The normal spectral emissivity from 300 K up to 1400 K confirmed the high emissive properties of the Pr2NiO4+δ coatings, even for thicknesses down to 1,5 μm. A total normal emissivity of 0,87 in the mid-infrared range is obtained for the 2,8 μm coating thickness.

Pour un bon contrôle du procédé de dépôt par pulvérisation magnétron et donc des propriétés des films déposés, une meilleure connaissance des processus de pulvérisation d’une part, et de croissance du film d’autre part est nécessaire. Une façon de mettre en évidence les différents mécanismes impliqués consiste à étudier les transferts d’énergie plasma/surface en temps réel pendant le procédé. Depuis une dizaine d’année, un outil de diagnostic permettant de mesurer directement l’énergie transférée, appelé ‘fluxmètre’ ou HFM (pour Heat Flux Microsensor), a été développé au GREMI. Il est basé sur l’insertion d’une thermopile dans un système adapté aux enceintes plasma basse pression. Bien que ce capteur de flux constitue un très bon outil de contrôle, son couplage avec d’autres diagnostics de la phase gazeuse (spectromètre de masse, spectroscopie d’émission, analyseur d’énergie etc.) et de caractérisation des films déposés (MEB, DRX, RBS,…) est nécessaire pour avoir une analyse complète du régime étudié. Pendant cette thèse, le fluxmètre a été principalement utilisé pour l’étude de trois régimes particuliers de pulvérisation magnétron en mode DC (Courant Continu); la pulvérisation en condition réactive, la pulvérisation d’une cible magnétique et la pulvérisation d’une cible chaude. Ce travail a permis de mettre en évidence des transitions de régimes dans le cas de la pulvérisation en mode réactif (oxydemétal) et à partir d’une cible magnétique (Ferro-paramagnétique). De plus, lorsqu’une cible monte en température, elle émet un rayonnement IR qui peut être absorbé avec plus ou moins d’efficacité par le film en cours de croissance. Les expériences menées dans le cadre de cette thèse ont contribué à l’étude de l’influence que cette contribution énergétique, différente de celle des processus collisionnels (condensation des atomes pulvérisés, interaction avec les ions, électrons etc.) peut avoir sur les films synthétisés. / For a good control of the magnetron sputtering process and therefore of the properties of the deposited films, a better knowledge of the sputtering processes on the one hand and the growth of the film on the other hand is necessary. One way to demonstrate the different mechanisms involved is to study the plasma / surface energy transfers in real time during the process. For the last ten years, a diagnostic tool has been developed at GREMI to directly measure the transferred energy, called fluxmeter, or HFM (for Heat Flux Microsensor). It is based on the insertion of a thermopile in a system suitable for low pressure plasma reactors. Although this flux sensor is a very good control tool, its coupling with other diagnoses of gas phase (mass spectrometer, emission spectroscopy, energy analyzer etc.) and characterization of deposited films (SEM , DRX, RBS, ...) is necessary to have a complete analysis of the studied regime. During this thesis, the fluxmeter was mainly used for the study of three particular regimes of magnetron sputtering in DC (Continuous Current) mode; the sputtering in a reactive condition, the sputtering of a magnetic target, and the sputtering of a hot target. Transitions of regimes in the case of the reactive sputtering (oxide-metal) and the magnetic target (Ferro-paramagnetic) was studied. In addition, when he target emperature rises, it emits IR radiation that can be absorbed with more or less efficiently by the growing film. The experiments carried out in this thesis contributed to the study of the influence of this energy contribution, different from the collisional processes (condensation of atomized atoms, interaction with ions, electrons etc.) can have on the films Synthesized.