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 / The objective of the present work is to deposit new protective coatings based on chromium nitride, titanium carbide and carbonitride by using physical vapor deposition in order to improve the dry wear resistance of wood cutting tools.Binary CrN, and MoN layers, ternary Cr–Mo–N and Ti-W-C films and quaternary Ti-W-C-N coatings were deposited on carbide inserts, iron cutting tools and silicon substrates by dual radio–frequency (RF) magnetron sputtering using different targets (Cr, Mo, Ti and WC) in different atmospheres (Ar, Ar+N2, Ar+CH4 and Ar+N2 +CH4).The influence of the working pressure, gas ratio, targets voltage, deposition temperature and heat temperature on the coating's properties has been studied by EDS, WDS, XPS, XRD, SEM, TEM, AFM, optical microscopy, 2D and 3D interferometric profilometer, Scratch test, Daimler test, nanoindentation, alternative and rotary tribometer. The objective is to correlate the tribological behavior of the studied coatings and their physico-chemical and mechanical properties.The coatings showing the best wear resistance against dry wear have been tested in industrial wood machining (-20/-25 °C). Results showed that Cr-Mo-N, Ti-W-C and Ti-W-C-N coating have improved the cutting tool's life from 47 to 77 % compared to uncoated one,Keywords: Coatings, (Cr-Mo)N, (Ti-W)(C,N), physico-chemical properties, mechanical properties, tribological behavior, wood machining

Les piles à membrane polymère à échange de protons (PEMFC) sont une des techniques les plus prometteuses pour une production d'électricité propre et efficace à partir d'hydrogène. Les applications de cette nouvelle génération de piles à combustibles concernent aussi bien des applications portables et nomades telles que smartphones, ordinateurs portables, électronique embarquée que des applications domestiques ou dans les transports. A ce jour, le platine utilisé comme catalyseur est considéré comme le seul choix possible pour un rendement élevé et stable. En conséquence, suite à des ressources limitées en platine, la fabrication des piles à combustible reste coûteuse et la production industrielle généralisée impossible. Pour cette raison, une diminution substantielle de la quantité de Pt incorporée et donc la recherche de nouveaux matériaux d'anode à faible coût avec une activité élevée sont nécessaires. Des systèmes à base d’oxyde de cérium dopés au platine avaient été présentés comme étant des catalyseurs actifs pour l'oxydation du CO, la production d'hydrogène, l'oxydation de l'éthanol et la décomposition de méthanol. Au cours de ce travail, de nouveaux concepts pour la fabrication des piles à combustible ont été développés : la quantité de platine incorporée a été fortement diminuée conduisant à la production de nouveaux matériaux d'anode. Enfin, des catalyseurs à base de platine ont été déposés non pas sous la forme usuelle de nanopoudres mais sous forme de films minces fortement poreux sur substrat silicium.Au cours de cette thèse, le système Pt-CeOx a été étudié. Des échantillons non dopés puis dopés avec une faible quantité de platine ont été élaborés puis caractérisés en vue d'une application comme catalyseurs pour piles à combustibles. L'obtention de ces matériaux avec des propriétés sur mesure implique la maîtrise totale de leurs conditions de croissance. Afin d’étudier ces nouveaux composés de taille nanométrique, la microscopie électronique en transmission (MET) a été un outil précieux, qui a permis d'apporter des informations très précises sur la morphologie des films minces, la composition chimique et la structure à l'échelle atomique. Le cérium possède un double degré d'oxydation (+III/+IV), ce qui explique ses très bonnes propriétés catalytiques. Des analyses par spectrométrie dephotoélectrons X (XPS) ainsi que par spectroscopie de pertes d'énergie des électrons (EELS) ont été effectuées afin de déterminer son degré d'oxydation. / Present doctoral thesis is focused on investigation of novel metal-oxide anode catalyst for fuel cell application by electron microscopy and associated spectroscopies. Catalysts based on Pt-doped cerium oxide in form of thin layers prepared by simultaneous magnetron sputtering deposition on intermediate carbonaceous films grown on silicon substrate have been studied. The influence of the catalyst support composition (a-C and CNx films), deposition time of CeOx layer and other deposition parameters, as deposition rate, composition of working atmosphere and Pt concentration on the morphology of Pt-CeOx layers has been investigated mainly by Transmission Electron Microscopy (TEM). The obtained results have shown that by combination of suitable preparation conditions we are able to tune the final morphology and composition of the catalysts. The composition of carbonaceous films and Pt-CeOx layers was examined by complementary spectroscopy techniques – Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Such prepared porous structures of Pt-CeOx are promising as anode catalytic material for real fuel cell application. / Předložená dizertační práce se zabývá studiem nových katalyzátorů na bázi kov-oxid vhodných pro použití v palivových článcích na straně anody. Platinou dopovaný oxid ceru připravený magnetronovým naprašováním ve formě tenkých vrstev na uhlíkových mezivrstvách nesených křemíkovým substrátem byl zkoumán prostřednictvím mikroskopických a spektroskopických metod. Vliv složení uhlíkového nosiče (a-C a CNx filmy), depozičního času CeOx vrstvy a dalších depozičních parametrů, např. depoziční rychlosti, složení pracovní atmosféry a Pt koncentrace na morfologii Pt-CeOx vrstev byl studován převážně pomocí transmisní elektronové mikroskopie (TEM). Získané výsledky ukazují, že vhodnou kombinací depozičních podmínek jsme schopni vyladit výslednou morfologii a kompozici katalyzátoru. Složení uhlíkových filmů a Pt-CeOx vrstev bylo studováno spektroskopickými technikami – energiově-disperzní spektroskopií (EDX), spektroskopií charakteristických ztrát elektronů (EELS) a rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (XPS). Takto připravené porézní struktury vrstev Pt-CeOx jsou slibným katalytickým materiálem na straně anody pro reálné aplikace v palivových článcích.

Structures semi-conductrices à base de NiTiO3, et l'étude de leurs propriétés dans le but de les appliquer en photocatalyse. Une étude théorique et des simulations numériques ont été effectuées pour analyser les propriétés électroniques, vibrationnelles et optiques de NiTiO3 massif ou sous forme de clusters nanométriques. Les poudres NiTiO3 ont été synthétisées par sol-gel par réaction en phase solide, tandis que les films minces ont été obtenus par pulvérisation cathodique rf-magnétron. Les caractérisations de leurs propriétés physiques confirment l'obtention de NiTiO3 polycristallin dans sa phase ilménite. La détermination du gap électronique à 2,25 eV suggère la faisabilité de mise en oeuvre des matériaux synthétisés comme photocatalyseurs actifs sous irradiation en lumière visible. Cette fonctionnalité a été testée par la dégradation du bleu de méthylène en solution aqueuse en utilisant les couches minces de NiTiO3 sous irradiation visible, atteignant la dégradation de 60% de la concentration initiale du colorant en 300 minutes. En outre, l'électro-oxydation du méthanol a été réalisée en appliquant une tension externe sur une électrode contenant des poudres NiTiO3 dans des milieux alcalins. Les ions de Ni présents dans le catalyseur ont été identifiés comme des espèces actives et que l'oxydation des molécules organiques se produit sur la surface des sites de Ni3+. En résumé, NiTiO3 a été synthétisé sous forme de poudres et de films minces ayant des caractéristiques appropriées pour la photocatalyse hétérogène efficace et les capacités catalytiques de NiTiO3 ont été démontrées sur la photodégradation du bleu de méthylène et l'électrooxydation de méthanol. / The thesis work is devoted to the synthesis of NiTiO3-based semiconductive structures, i.e. powders and thin films, and the investigation of their related properties with the aim of their applications in photocatalysis. Theoretical approach and numerical simulations of the electronic, vibrational and optical properties of bulk and nanosized NiTiO3 structures have been carried out in order to deepen the understanding of the experimental results. The synthesis of NiTiO3 powders has been achieved by sol-gel and solid state reaction, while NiTiO3 thin films have been grown by rf-sputtering.Characterizations on their structural, vibrational and optical properties confirm the stabilization of polycrystalline NiTiO3 in its ilmenite phase in both powders and thin films as well. The determination of a band gap at 2.25 eV suggests the feasibility to implement the synthesized materials as visible-light-active photocatalysts. This feature has been tested in thedegradation of methylene blue in aqueous solution using rf-sputtered NiTiO3 thin films irradiated with visible light,achieving the degradation of 60% of the initial concentration of the colorant in 300 minutes. In addition, the electro-oxidation of methanol has been accomplished by applying an external voltage on an electrode containing NiTiO3 powders in alkaline media. The Ni ions present in the catalyst have been identified as the active species with the oxidation of the organic molecules on the surface of Ni3+ sites. As a main achievement, NiTiO3 has been synthesized as powders and thin films with suitable characteristics for efficient heterogeneous photocatalysis and the catalytic capabilities of NiTiO3 have beendemonstrated on the photodegradation of Methylene Blue and the electro-oxidation of methanol.

Ces travaux de thèse rentrent dans le cadre de l'ANR Photoflex (2013-2016) qui vise à mettre au point une technologie d'impression laser sans contact, pour créer des motifs actualisables ou permanents à caractère unique sur tout type de support, en particuliers des supports souples. Nous rapportons la synthèse par technique de pulvérisation magnétron en mode réactif et à température ambiante de films minces nanocomposites photochromes constitués de nanoparticules d'Ag entre deux couches nanoporeuses de TiO2. Ces films sont déposés sur des substrats souples tels qu'un plastique transparent (PET) et un papier diffusant. Nous montrons que lorsque le TiO2 est élaboré en régime de pulvérisation élémentaire, le film nanocomposite est coloré en raison de la présence de nanoparticules d'Ag métalliques induisant une résonance de plasmons de surface localisés dans le visible. En revanche, en régime de pulvérisation composite, le film nanocomposite est incolore car l'Ag s'oxyde lors de son recouvrement par le TiO2. Nous avons démontré que les échantillons incolores peuvent se colorer sous insolation laser UV (244 nm) dû à la réduction de l'Ag oxydé puis à la croissance de nanoparticules d'Ag métalliques par coalescence ou par mûrissement d'Ostwald. De plus, l'insolation laser visible (647 nm) à de faibles éclairements (quelques W.cm-2) de ce type de film ou des films initialement colorés donne lieu à des changements morphologiques des nanoparticules d'Ag qui modifient l'absorbance du film et entraînent une modification de la coloration de l'échantillon. Nous avons étudié l'influence des conditions de dépôt (épaisseur de la couche de recouvrement des nanoparticules, épaisseur de la sous-couche de TiO2, quantité d'Ag, temporisation après dépôt d'Ag, traitement plasma des nanoparticules d'Ag, multicouches) afin d'optimiser les effets de photochromisme en amplitude et en vitesse. Tous les mécanismes de photochromisme sont répétables durant des processus cycliques d'insolation UV/Visible. Pour de forts éclairements en laser visible (plusieurs dizaines de kW.cm-2), nous avons observé sur des films nanocomposites déposés sur verre, des changements de couleurs dépendants de la direction de polarisation du faisceau sonde, liés à la croissance thermique et à l'auto-organisation de l'Ag selon un réseau périodique de chaînes de nanoparticules. Contrairement aux faibles éclairements, les couleurs photo-induites sont permanentes et présentent un caractère dichroïque. Cette étude ouvre des perspectives intéressantes en termes d'applications, notamment pour l'authentification et la traçabilité de produits manufacturés, le stockage de données, les nouvelles générations de datamatrix, etc. / These thesis works are within the framework of the ANR Photoflex (2013-2016), which aims to develop a contactless laser printing technology, in order to create updatable or permanent patterns of unique character on any types of supports, especially flexible supports. We report on a reactive magnetron sputtering-based deposition method to synthesize, at room temperature, photochromic nanocomposite thin films consisting of Ag nanoparticles sandwiched between nanoporous TiO2 layers. These films are deposited on flexible substrates such as a transparent plastic (PET) and a diffusing paper. We show that when the TiO2 is elaborated in the metallic sputtering mode, the nanocomposite film is colored due to the formation of metal Ag nanoparticles inducing a localized surface plasmon resonance in the visible range. In contrast, in the compound sputtering mode, the nanocomposite film is colorless because the Ag nanoparticles are oxidized during their capping by the TiO2. We have demonstrated that the colorless samples can be colored under UV laser irradiation (244 nm) due to the reduction of oxidized silver, followed by the growth of metallic Ag nanoparticles by coalescence or Ostwald ripening. Moreover, visible laser irradiation at low irradiances (few W.cm-2) of the colored films gives rise to changes in the particle morphology that modifies the absorbance of the films and results in sample color changes. We have investigated the influence of the deposition conditions (capping layer thickness of nanoparticles, TiO2 buffer layer thickness, Ag amount, holding time after Ag deposition, plasma annealing of Ag nanoparticles, multilayer) in order to optimize the photochromic effects in amplitude and in speed. All the mechanisms are repeatable during UV/Visible irradiation cyclic processes. For strong visible laser irradiances (several tens of kW.cm-2), we observed on nanocomposite films deposited on glass, color changes dependent on the polarization direction of the probe beam, related to the thermal growth and to the self-organization of Ag according to a periodic grating of nanoparticle chains. Contrary to low irradiances, the photo-induced colors are permanent and have a dichroic character. This study opens up interesting possibilities in terms of applications, including authentication and traceability of manufactured products, data storage, the new generation of datamatrix, etc.

Dans cette étude, des revêtements Cr-Si-N sont réalisés à l’aide d’un procédé hybride arc-magnétron. L’étude préliminaire de validation du procédé montre que, malgré une dureté moindre que celle des revêtements type Ti-Si-N, les revêtements type Cr-Si-N présentent une très bonne résistance à l’oxydation à haute température. Les revêtements à base de Cr2N sont moins durs que ceux à base de CrN. Quelle que soit la nature du nitrure synthétisé, l’enrichissement en silicium des couches conduit à une augmentation du paramètre de maille due à la substitution de l’azote par le silicium. L’enrichissement en silicium des couches à base de CrN conduit également à un maximum de dureté de 50-60 GPa pour des teneurs de l’ordre de 6-8 %at. Si. Quant aux revêtements à base de Cr2N, l’ajout de silicium entraîne une légère décroissance, sensiblement linéaire, de la dureté. La présence de silicium au sein des couches conduit à améliorer la stabilité de la dureté ainsi que la résistance à l’oxydation à haute température pour les deux types de revêtements. La croissance des grains, la déstabilisation de CrN en Cr2N et l’interdiffusion du fer et du silicium sont les paramètres principaux associés à la chute de dureté des revêtements à haute température / IIn this study, Cr-Si-N coatings are synthesized by an arc-magnetron hybrid process. In spite of a lower hardness of Cr-Si-N coatings in comparison with Ti-Si-N ones synthesised in a preliminary study performed to validate the deposition device, Cr-Si-N coatings present a higher resistance to high temperature oxidation. The Cr2N-based coatings are softer than those based on CrN. Si addition yields an increase of the lattice constant attributed to the substitution of N by Si. In CrN-based coatings, the maximum hardness of about 50-60 GPa is obtained for 6-8 at. % Si. For Cr2N-based coatings, the hardness decreases linearly with the Si content. Si addition improves both hardness stability and oxidation resistance at high temperature for both coatings. Grains growth, CrN destabilisation into Cr2N and interdiffusion of Fe and Si are the main parameters which govern the loss of hardness after annealing at high temperature of the coatings

Émanant d’une collaboration entre le laboratoire CNRS du GREMI et le CEA le Ripault, l’objectif de cette thèse est de réaliser une étude exhaustive sur les conditions d’élaboration des électrodes de pile à combustible PEMFC par procédés plasma, dont l’enjeu est d’améliorer l’activité électro-catalytique du catalyseur employé qu’est le platine (Pt). A même quantité, la répartition du platine sur son support se révèle être un critère déterminant sur les performances délivrées par les PEMFCs. De cette observation, plusieurs axes de recherche ont été proposés et chacun d’entre eux a permis d’obtenir de nouveaux résultats. Le régime de pulvérisation magnétron à haute puissance pulsée (HiPIMS) est étudié dans le cas de dépôt de matériaux nobles pures (Pt, Au, Pd) et alliés (Pt5Pd95 et Pt50Pd50) et a permis de révéler une vapeur métallique ionisée conséquente lors du dépôt (10 % à 90 % selon l’élément). Les résultats obtenus sur le régime HiPIMS ont permis la modification de la distribution d’une faible quantité fixée de Pt (20 μg.cm−2) déposée sur la profondeur des couches de diffusion des gaz (GDL), améliorant incidemment les performances des PEMFCs (+80 % à 0.65 V, la tension à puissance nominale). Ce résultat est complété par ceux obtenus sur l’élaboration de catalyseur alliés, notamment sur la disposition du matériel catalytique au niveau de la structure des agrégats (+93 % à 0.65 V pour Pt5Pd95 en dépôts successifs). Une autre étude a permis d’étudier la modification de répartition du Pt en contact avec la membrane électrolyte. La surface de membrane échangeuses de proton est alors initialement structurée. Ces structurations de surface des membranes montrent une amélioration globale des performances PEMFCs pour les architectures CCB (Catalyst Coated Backing) et CCM (Catalyst Coated Membrane) d’un facteur 1.3 jusqu’à 12, respectivement. / From a collaboration between the CNRS laboratory of the CEA and GREMI Ripault, the objective of this thesis is to conduct a complete study on the conditions for producing electrodes of PEM fuel cell by plasma processes in order to improve the electro-catalytic activity of the catalyst (Pt). The platinum atoms on its support appears to be a one of the most important factor determining the performance delivered by the PEMFCs. From this observation, several lines of research have been proposed and each of them has yielded new results. The High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) process is studied in case of depositions of noble materials (Pt, Au, Pd) and alloy (Pt5Pd95 and Pt50Pd50) and revealed an ionized metal vapor consequent upon deposition (10 % to 90 % depending of the element). The results obtained on the HIPIMS process have allowed a change in the distribution of a small fixed amount of Pt (20 μg.cm−2) deposited on the depth of the gas diffusion layer (GDL), incidentally improving the performance of PEMFCs (+80% at 0.65 V, the voltage at rated power). This result is complemented by those obtained on the development of allied catalysts, especially with the arrangement of the catalytic material on the aggregates structure (+93 % at 0.65 V for Pt5Pd95 in successive deposits). In order to modify the Pt atoms distribution on the membrane support, another study has been realized. The surface of the proton exchange membrane has been structurated before the Pt deposition. Such structuration have shown an increase of the overall performance of PEMFCs in the case of CCB (Catalyst Coated Backing) and CCM (Catalyst Coated Membrane) architecture with an improvement factor of 1.3 up to 12, respectively.

La pulvérisation cathodique magnétron est un procédé plasma très répandu dans l'industrie pour le dépôt de couches minces. Néanmoins, les exigences des nouvelles applications nécessitent de mieux comprendre, contrôler et maîtriser les processus fondamentaux gouvernant le transport de la matière pour optimiser le procédé. Ce travail de thèse porte sur l'étude du transport des atomes pulvérisés de tungstène (W) en décharge magnétron continu (DC direct current) et pulsée haute puissance (HiPIMS_high power impulse magnétron sputtering). La fluorescence induite par diode laser (TD-LIF) a été mise au point afin de mesurer les fonctions de distribution en vitesse des atomes W pulvérisés. Les mesures ont été calibrées par absorption laser et validées en corrélant avec les vitesses de dépôt. En procédé DC, l'étude de l’influence des paramètres de la décharge (puissance, tension, mélange gazeux Ar/He, distance par rapport à la cible, etc.) a mis en évidence l'évolution spatiale des régimes de transport balistique (atomes énergétiques), diffusif (atomes thermalisés), et mixte (balistique+diffusif). Pour l'étude du procédé HiPIMS, le plasma pulsé a nécessité de développer la TD-LIF résolue en temps (TR-TDLIF). Le degré de liberté supplémentaire qu'offre la dimension temporelle du plasma HiPIMS a permis de mieux comprendre le transport mixte qui représente le cas le plus compliqué. En effet, cela a permis de mesurer la cinétique du transport des atomes pulvérisés en ayant la possibilité de séparer les temps caractéristiques des différents processus / Magnetron sputter deposition is an established and widely used method for the growth of thin films. Nevertheless, the high level of expectations regarding new applications require a better understanding, controlling, mastering of basic processes governing atoms transport in the view of process optimization. This work consist in the study of transport of sputtered W atoms in direct current and high power impulse magnetron discharges (DC and HiPIMS). A tunable diode laser induced fluorescence technique (TD-LIF) has been developed, in order to measure W sputtered atom velocity distribution function. Measurements were calibrated using laser absorption and were corroborated by deposition rate. In DC, the study of the influence of discharge parameters (power, voltage, Ar/He gas mixture, and distance from target, etc.) highlighted spatial evolution of different regimes of transport: ballistic (energetic atoms), diffusive (thermalized atoms), and mixed (ballistic + diffusive). In HiPIMS, pulsed plasma required to develop a time resolved TD-LIF technique (TR-TDLIF). The additional degree of freedom, given by time dimension allowed for a better understanding of mixed transport which represents the most complicated situation. This technique allowed to measure the kinetic of sputtered W atoms while at the same time providing the possibility to separate characteristic time scales of different processes

Les films de nitrures métalliques nanostructurés sont généralement utilisés comme revêtements protecteurs. Ti1-xAlxN (0 ≤ x ≤ 1) peut être considéré comme un système modèle, où TiN (cubique) et AIN (hexagonal) sont partiellement miscibles. L’élaboration par dépôt physique en phase vapeur donne au film une microstructure colonnaire complexe composée de phase métastable pouvant cohabiter avec des précipités localisés aux joints de grains. Une haute dureté et une grande résistance à l’oxydation sont observées pour un maximum d’atomes de Ti substitué par des atomes de Al en réseau cubique. Les conditions de dépôt et la composition jouent un rôle majeur sur la substitution des éléments métalliques (Ti ,Al). Nous avons préparé deux séries de films déposés par pulvérisation cathodique magnétron réactive à partir de cibles TiAl compartimentées et frittées. La micro- et nanostructure des films ont été analysées par Diffraction, Spectroscopie d’Absorption des rayons X et Microscopie Electronique à Transmission. L’usure des revêtements a été étudiée par microtribologie. Nous observons pour les films riches en Ti (x < 0,5) des directions de croissances [200]c et [111]c, caractéristiques d’un réseau cubique. Tandis que, les films riches en Al (x > 0,7) présentent une croissance de domaines bien cristallisés suivant la direction [002]h du réseau hexagonal. De plus, nous avons mis en évidence l’apparition de la transition cubique / hexagonal à des teneurs en Al plus élevée pour les films issus de cible frittée. Ces films montrent une meilleure résistance à la fissuration et à l’usure que ceux déposés à partir de cible compartimentées. / Ti1-xAlxN (0 ≤ x ≤ 1) is considered as a model system, where TiN (fcc) and AlN (hcp) do not mix over the whole composition range due to their low miscibility. However, the physical vapour deposition (PVD) allows achieving metastable phases of Ti1-xAlxN, where Al atoms are partially substituting for Ti in fcc lattice. Ti1-xAlxN coatings exhibit high hardness and oxidation resistance for the maximum Al substituted to Ti in fcc lattice (about x=0.6). The proportion of grain boundaries and the limit solubility play a major role on the mechanical properties and resistance to wear of the coatings. Several techniques are employed to investigate two sets of Ti1-xAlxN thin films deposited by magnetron reactive sputtering from two types of metallic targets onto Si (100). Lattice symmetry of crystallised domains and columnar growth structure of the films are characterized by X-ray diffraction (XRD) and electron microscopy (TEM, HRTEM). Several local probes such as X-ray absorption fine structure (XAFS), diffraction anomalous fine structure (DAFS) and Electron Energy Loss Spectroscopies (EELS) which are very sensitive to the symmetry of the atomic sites either octahedral for fcc lattice or tetrahedral for hcp one are carried out. For Ti-rich films (x < 0.5), the competitive growth of cubic domains between [200]c and [111]c is observed. For Al-rich films (x > 0.7) have a domain growth well crystallized in the direction [002]h the hexagonal lattice. In addition, the cubic / hexagonal transition in Al contents higher is observed for films from sintered target. These films show better wear resistance than those deposited from target compartmentalized.

Ce travail porte sur la compréhension des mécanismes de nucléation-croissance et le développement de contraintes associé lors du dépôt par pulvérisation de films minces métalliques. Le développement d’un dispositif de mesure in-situ en cours de croissance de la résistivité électrique est présenté et les potentialités offertes par son couplage avec deux autres diagnostics in-situ : la mesure de courbure du substrat et la spectroscopie différentielle de surface, ainsi qu’avec des caractérisations structurales, morphologiques et chimiques ex-situ (DRX, XRR, METHR, EELS, AFM) ont permis de mettre en évidence : le rôle clé joué par la température homologue et la structure d’équilibre du matériau déposé pour guider le mode de croissance 2D ou 3D et les contraintes associées. Pour les métaux à croissance 3D étudiés (Ag, Au, Pd et Ir) tous de structure CC, nous avons montré que l’amplitude du pic de tension associée au stade de coalescence était liée à la mobilité atomique des adatomes ; son maximum correspondant à la continuité du film. Nous avons montré que l’épaisseur de coalescence et donc la microstructure et la contrainte des éléments de forte mobilité pouvaient être contrôlées par la présence d’un surfactant en cours de croissance. Il est exposé que pour les métaux de faible mobilité atomique (Mo, W, Ta, Fe) et/ou de structure CC, la croissance débute par la stabilisation d’une amorphe suivie par la cristallisation vers la phase d’équilibre CC (Mo, Fe) ou la structure quadratique dans le cas du Ta, induite par la minimisation des énergies de surface/interface. Les premiers stades de croissance complexes du système Pd/Si liés à une forte réactivité d’interface ont été expliqués par la formation d’un siliciure d’interface tout d’abord amorphe qui cristallise, lorsque l’épaisseur de Pd déposée devient suffisante, par ségrégation dynamique du Si dans le métal. La très forte dissymétrie des interfaces Pd/Si et Si/Pd ainsi que le rôle de la température et du réservoir de Si sur la formation du siliciure ont été étudiés. Les interdépendances entre contrainte de croissance en régime stationnaire, microstructure, énergie déposée et cinétique de croissance dans le cas de métaux de faible mobilité ont été élucidées et le rôle majeur des joints de grains et des puits de surface sur la relaxation des défauts de types interstitiels en excès induits lors de dépôts énergétiques démontré. Une extension aux dépôts énergétiques du modèle cinétique de Chason de développement des contraintes est proposée. / Size reduction for the race towards nanoscale devices impacts physical properties of materials due to morphology, microstructure, defects and presence of surfaces and interfaces, but also makes challenging their structural characterizations. Moreover, thin film growth by physical vapor deposition is a non-equilibrium process involving dynamics effects, which inherently affects nanostructure formation. Thanks to the development and use of in situ and real-time diagnostics, easily implementable in a vacuum chamber, as those based on the wafer curvature measurement, electrical resistivity or also the surface reflectance spectroscopy, described in this work, we are able to address these issues. An original 4 points probe resistivity setup, in situ and real-time, in a magnetron chamber, has been developed for this study, allowing samples introduction by a load-lock system and the growth of homogeneous, dense metallic films. Potentialities of these techniques are highlighted by studying magnetron sputtered metallic systems with various atomic mobility and interfacial reactivity. The sensibility of these techniques, at the sub monolayer scale, allows a better understanding of the firsts growth stages, nucleation processes, phase transformations and defects incorporation. Influence of microstructure (grain size), kinetics (growth rate) and deposited energy has been systematically studied. The main results obtained revealed: a correlation between the magnitude of tensile stress associated with the coalescence stage and the atomic mobility of adatoms during Volmer-Weber growth of Ag, Au, Pd and Ir thin films on a-SiOx; a two dimensional growth mode for films of lower mobility (Fe, Mo, Ta) on a-Si, with the stabilization of an amorphous layer before the crystallization of the equilibrium bcc structure (Fe and Mo) or the metastable tetragonal structure in the case of Ta, driven by the minimization of surface/interface energies; the strong reactivity of Pd films sputtered on Si or Ge (amorphous or crystalline) substrates, leading to the room-temperature formation of a crystalline silicide (germanide) Pd2Si (or Pd2Ge) phase whose crystallographic orientation depends on the nature of the sublayer and where the silicon is the fast diffuser; the complementary roles of surface and grain boundaries on the steady-state compressive stress regime observed under energetic conditions of growth (10-100eV). To account for these observations, an extension of Chason’s theoretical model is presented.

Le marché du stockage de l'énergie est en perpétuelle expansion, tant pour les applications nomades que fixes. Afin de répondre aux exigences requises pour les diverses applications (appareils électroniques, véhicules hybrides et électriques, stockage des énergies renouvelables…), des batteries toujours plus performantes, compactes et légères doivent être développées. Pour cela, les batteries utilisant du lithium métallique en tant qu'anode sont les plus attractives en termes de densités d'énergies. Néanmoins, l'utilisation d'électrolytes liquides conventionnels, généralement des solvants organiques inflammables, dans de tels dispositifs soulève des problématiques de sécurité. Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit concernent l'étude de matériaux vitreux pouvant être utilisés en tant qu'électrolyte solide afin de permettre le développement de batteries tout-solide sûres et performantes. Des verres de sulfures au lithium, attractifs pour leurs propriétés de conduction ionique, sont étudiés et caractérisés. Les propriétés de conduction ionique dans les verres étant toujours mal comprises et sujettes à controverses, l'analyse structurale des verres présente ici un réel intérêt pour une meilleure compréhension des corrélations entre structure et propriétés. Un effort de recherche a donc été porté sur l'étude de l'ordre local dans les verres préparés via différentes techniques d'analyse structurale complémentaires. Enfin, les matériaux vitreux, sont de manière générale relativement faciles à mettre en forme. Les verres étudiés dans ce manuscrit peuvent alors également être utilisés en tant qu'électrolytes sous forme de couches minces dans les micro-batteries. Des premiers essais de dépôts par pulvérisation cathodique RF magnétron de couches minces conductrices ont donc été effectués et constituent la première brique à la fabrication de micro-batteries. / The energy storage market is in constant growth for both portable and stationary applications. To satisfy the requirements of various applications (electronic devices, hybrid-electric vehicles, renewable energy storage…), always more efficient, more compact and lightweight batteries have to be developed. Then, thanks to their high energy densities, batteries using Li metal anodes are the most promising to complete this challenge. However, the use of conventional liquid electrolytes raises safety issues, mainly related to the flammability of the organic liquid. In this thesis, glassy materials, exhibiting great interest towards developing solid electrolytes are considered and might enable the development of safe and efficient all-solid-state batteries. Here, Li-sulfide glasses, attractive for their ionic conduction properties, have been studied and characterized. The ionic conduction properties of glasses are still misunderstood and controversial, the structural investigation of glasses is of great interest in order to get a better understanding of structure-properties relationship. Then, the short and intermediate range order of prepared glasses have been investigated by the mean of various complementary structural analysis techniques. Finally, glassy materials are usually quite easy to shape. Thus, studied glasses in this thesis can also be used as thin-film electrolytes in microbatteries. First tests of sputtering of conducting thin-films have been performed by RF magnetron sputtering and constitute a first step in order to design microbatteries.