La croissance de couches minces d'oxydes sur les alliages métalliques et les métaux purs est un phénomène ayant fait l'objet d'un grand nombre d'études expérimentales. Les structures des couches d'oxydes sont bien connues, ainsi que les modèles mathématiques servant à modéliser les aspects macroscopiques de la croissance. Cependant, les détails des mécanismes de germination de la couche d'oxyde dans les premiers stades de la corrosion ainsi que sa croissance ultérieure demeurent peu ou mal connus. La simulation atomistique apparaît comme une alternative pour évaluer les différents mécanismes proposés et appréhender l'influence des différents paramètres physico-chimiques. Le développement d'un tel outil de simulation a démarré au LPCS avec la thèse de M. Legrand. En se basant sur l'exemple de l'alliage FeCr, un modèle informatique tridimensionnel dit "modèle de Legrand", permettant de simuler la dissolution sélective et la passivation des alliages binaires a été réalisé. L'évolution dynamique est basée sur une technique de type Monte Carlo classique. Le logiciel permet de simuler l'évolution d'un alliage quelconque, d'une composition et d'une structure cristallographique donnée. Il prend en compte la diffusion des atomes sur la surface, leur dissolution et le blocage de la dissolution par formation d'une couche de passivation. Cet outil était adapté pour la simulation des premiers stades de la corrosion. L'objectif de ce travail est d'améliorer ce modèle existant, afin de simuler l'évolution de la couche passive sur une échelle de temps plus longue. A l'issue de ce travail, de nombreux apports ont été effectués. Ainsi, l'introduction d'un champ de force MEAM (Modified Embedded Atom Method) pour le calcul des barrières de diffusion et de dissolution, a permis de remplacer les probabilités de diffusion empiriques par des probabilités calculées, et de mettre en évidence la diffusion préférentielle des Cr vers leurs semblables. L'introduction d'une dynamique de simulation Monte Carlo Cinétique (KMC) a permis une prise en compte réaliste de l'évolution cinétique du modèle avec des temps de simulation reliés au temps réel. Enfin Un second réseau cristallographique RVO (réseau virtuel d'oxyde) tridimensionnel, correspondant à celui de la couche passive (Cr2O3) a été implémenté, ainsi qu'une interface graphique pour un meilleur suivi de la simulation. Les résultats obtenus lors des simulations sont en accord avec les observations expérimentales: passivation totale à partir du Fe-16Cr, enrichissement en Cr de la couche passive, allures des courbes cinétiques, influence du champ électrique, mise en évidence l'apparition de cavités sous la couche passive.

Les contributions de cette thèse portent sur deux sujets.La première partie est dédiée à l'étude de modèles de champ moyen pour la structure électronique de matériaux avec des défauts.Dans le chapitre~ref{chap:ergodic_crystals}, nous introduisons et étudions le modèle de Hartree-Fock réduit (rHF) pour des cristaux désordonnés. Nous prouvons l'existence d'un état fondamental et établissons, pour les interactions de Yukawa (à courte portée), certaines propriétés de cet état. Dans le chapitre~ref{chap:défauts_étendus}, nous considérons des matériaux avec des défauts étendus. Dans le cas des interactions de Yukawa, nous prouvons l'existence d'un état fondamental, solution de l'équation auto-cohérente. Nous étudions également le cas de cristaux avec une faible concentration de défauts aléatoires. Dans le chapitre~ref{chap:numerical_simuation}, nous présentons des résultats de simulations numériques de systèmes aléatoires en dimension un.Dans la deuxième partie, nous étudions des modèles Monte-Carlo cinétique multi-échelles en temps. Nous prouvons, pour les trois modèles présentés au chapitre~ref{chap:kMC}, que les variables lentes convergent, dans la limite de la grande séparation des échelles de temps, vers une dynamique effective. Nos résultats sont illustrés par des simulations numériques.

Les contributions de cette thèse portent sur deux sujets.La première partie est dédiée à l'étude de modèles de champ moyen pour la structure électronique de matériaux avec des défauts.Dans le chapitre~ref{chap:ergodic_crystals}, nous introduisons et étudions le modèle de Hartree-Fock réduit (rHF) pour des cristaux désordonnés. Nous prouvons l'existence d'un état fondamental et établissons, pour les interactions de Yukawa (à courte portée), certaines propriétés de cet état. Dans le chapitre~ref{chap:défauts_étendus}, nous considérons des matériaux avec des défauts étendus. Dans le cas des interactions de Yukawa, nous prouvons l'existence d'un état fondamental, solution de l'équation auto-cohérente. Nous étudions également le cas de cristaux avec une faible concentration de défauts aléatoires. Dans le chapitre~ref{chap:numerical_simuation}, nous présentons des résultats de simulations numériques de systèmes aléatoires en dimension un.Dans la deuxième partie, nous étudions des modèles Monte-Carlo cinétique multi-échelles en temps. Nous prouvons, pour les trois modèles présentés au chapitre~ref{chap:kMC}, que les variables lentes convergent, dans la limite de la grande séparation des échelles de temps, vers une dynamique effective. Nos résultats sont illustrés par des simulations numériques.

Parmi la variété de matériaux énergétiques existants, les nanothermites sont aujourd'hui largement étudiées et utilisées grâce à leur caractéristique principale qui est de libérer une grande quantité d'énergie lors de la combustion d'une petite quantité de matériau. Nous avons choisi de travailler avec les nanothermites sous forme d'empilement de couches d'aluminium et d'oxyde de cuivre afin de maximiser cette densité d'énergie (valeur théorique : 21 kJ/cm3) et ainsi optimiser le rendement énergétique du matériau à des fins d'application industrielle. Cette succession de couches nanométriques est réalisable par un procédé de dépôt en phase vapeur (PVD) de type pulvérisation cathodique classique ou réactive. Étant donné que les couches d'aluminium et d'oxyde de cuivre sont déposées alternativement, on observe toujours la formation de couches de mélange aux interfaces, lorsque le matériau est déposé directement au contact de la couche précédente. Ces zones de mélange sont bien identifiées visuellement mais non caractérisées chimiquement : elles sont composées d'aluminium, de cuivre et d'oxygène en proportions inconnues. Ces couches barrières constituent à la fois une barrière physique à l'interdiffusion des espèces, moteur de la réaction chimique énergétique, et une perte de matériau puisque les atomes qui les composent ne sont plus réactifs. Ainsi la nanothermite voit sa stabilité augmentée au détriment de ses performances énergétiques, ce qui pose un problème en termes de fiabilité et de reproductibilité. La maîtrise de la formation de ces couches barrières, en passant par la compréhension des mécanismes mis en jeu durant le procédé de dépôt, est donc un enjeu important vers la maîtrise de la réactivité des nanothermites multicouches Al/CuO. Afin de comprendre comment se passe ce mélange aux interfaces et en déduire la structure résultante de la couche de mélange, nous avons choisi d'utiliser la modélisation puisque l'outil numérique permet aujourd'hui d'étudier la matière à des échelles de taille et de temps non accessibles expérimentalement. La présente thèse est un travail de modélisation multiéchelle constitué de deux phases d'étude correspondant à des échelles physique différentes. Nous y voyons d'abord la réactivité d'une surface d'aluminium au contact de l'oxyde de cuivre grâce à un code commercial (VASP) utilisant la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). Ensuite nous utilisons ces résultats à l'échelle atomique pour la construction d'un simulateur à l'échelle mésoscopique de type Monte-Carlo cinétique (KMC). Le simulateur mis au point est capable de déposer une couche de matière sur une surface pure d'aluminium Al(111) et permet d'observer un mélange précoce des espèces dans les premiers temps du dépôt. Les premières briques du simulateur étant posées, ce travail est le début d'une étude plus ambitieuse vers l'élaboration d'un outil prédictif de la structure et la composition des couches barrières en fonction des conditions expérimentales de dépôt (température, pressions partielles de la phase gazeuse, temps d'expérience). Cet outil devrait permettre, à terme, de faire de la nanoingéniérie inversée, c'est-à-dire d'adapter les conditions de fabrication des nanothermites en fonction des performances finales désirées.

La réduction des dimensions des dispositifs CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) implique de nombreux défis dans la formation de jonctions. La recroissance par épitaxie en phase solide (SPER) à des températures inférieures à 600 °C est une technique attrayante dans la mesure où elle permet de réaliser des jonctions abruptes avec une forte concentration de dopants actifs et qui sont nécessaires pour les nœuds avancés tels que le 20 nm et au-delà. Dans ce manuscrit, on présente un modèle atomistique basé sur la méthode Monte-Carlo cinétique sur réseau (LKMC) afin de simuler la cinétique de SPER dans le silicium. Le modèle s'appuie sur la description phénoménologique des mécanismes microscopiques de recristallisation proposé par Drosd et Washburn dans [J. Appl. Phys. 53, 397 (1982)] en distinguant des événements {100}, {110} et {111} selon le plan local de recroissance et a été implémenté dans le simulateur MMonCa [Appl. Phys. Lett. 98, 233109 (2011)]. Il s'agit de la même base que le modèle de Martín-Bragado et Moroz [Appl. Phys. Lett. 95, 123123 (2009)] qui a été implémenté dans le simulateur commercial Synopsys SProcess KMC. Néanmoins, dans notre travail, la formation de macles lors des évènements {111} a été introduite ce qui a nécessité des changements importants dans l'implémentation. Le modèle a été calibré sur des résultats expérimentaux et permet de prédire l'anisotropie et la dépendance en température. En particulier, il a été utilisé afin d'expliquer la formation de zones défectueuses dans les dispositifs FDSOI à l'issue de la SPER à une température réduite. Le modèle LKMC a, en outre, été étendu dans le but d'inclure l'influence d'une contrainte non-hydrostatique et la recroissance accélérée du fait de la présence de dopants actifs. Les effets d'une contrainte non-hydrostatique ont été introduits en utilisant le concept de tenseur d'activation proposé par Aziz, Sabin et Lu dans [Phys. Rev. B 44, 9812 (1991)] et seulement quatre paramètres indépendants sont nécessaires. La présence de dopants ionisés cause une accélération de la vitesse de recroissance qui est attribué à un effet lié à la position du niveau de Fermi à l'interface amorphe/cristal. Un solveur 3D auto-cohérent de l'équation de Poisson avec le modèle de Thomas-Fermi a été implémenté et couplé avec le modèle LKMC afin de prendre en compte la courbure des bandes à l'interface amorphe/cristal. La correction phénoménologique de décalage du niveau de Fermi généralisé (GFLS) proposée par Williams et Elliman dans [Phys. Rev. Lett. 51, 1069 (1983)] a été utilisée pour modifier les fréquences de recristallisation des évènements microscopiques. Des simulations de la vitesse de recroissance en fonction de la température pour différentes concentrations de dopants ont montré un bon accord avec les données expérimentales. En résumé, dans ce manuscrit, un modèle unifié de SPER basé sur une approche LKMC est présentée. Il prend en compte l'influence de différents paramètres sur la cinétique de recroissance et ayant un intérêt technologique tels que la température, l'orientation cristalline, la contrainte et la présence de dopants. Le modèle est, en soi, tridimensionnel et permet donc d'explorer les phénomènes de recroissance impliquant plusieurs fronts de recristallisation et qui ont lieu lors du procédé de fabrication de dispositifs électroniques réels. / Complementary metal oxide semiconductor (CMOS) device scaling involves many technologicalchallenges in terms of junction formation. Solid phase epitaxial regrowth (SPER) at temperaturesbelow 600 ˝C is an attractive technique since it enables to form highly–activated andabrupt junctions that are required for advanced technology nodes such as 20 nm and beyond.In this manuscript, we present a comprehensive atomistic model relying on the lattice KineticMonte Carlo (LKMC) method to simulate SPER kinetics in silicon. The model is based onthe phenomenological description of the microscopic recrystallization mechanisms proposedby Drosd and Washburn in [J. Appl. Phys. 53, 397 (1982)] by distinguishing among {100},{110} and {111} events depending on the local regrowth plane and has been implemented inthe MMonCa simulator [Appl. Phys. Lett. 98, 233109 (2011)]. This is the same basis than theatomistic model of Martín–Bragado and Moroz proposed in [Appl. Phys. Lett. 95, 123123(2009)] and available in the Synopsys SProcess KMC commercial tool. Nevertheless, in ourwork the formation of twin configurations during {111} events has been incorporated givingrise to significant changes in the implementation. The model has been calibrated on single–directional SPER experiments and allows predicting the regrowth anisotropy and temperaturedependence. In particular, it has been used to explain the formation of defective regions inFDSOI devices annealed with a low processing temperature. In this work, the LKMC modelhas also been extended in order to include the influence of non–hystrostatic stress and dopant–enhanced regrowth that are technologically relevant. Non–hydrostatic stress effects have beenincorporated using the concept of activation strain tensor introduced by Aziz, Sabin and Luin [Phys. Rev. B 44, 9812 (1991)] and only four independent parameters are required. Thepresence of ionized dopants has been shown to cause an enhancement of the regrowth velocitywhich has been attributed to a Fermi level effect. A three–dimensional Thomas–Fermi–Poisson solver has been implemented and coupled with the LKMC model allowing to takeinto account the band bending at amorphous/crystalline interface. The phenomenological generalizedFermi level shifting (GFLS) correction proposed by Williams and Elliman in [Phys.Rev. Lett. 51, 1069 (1983)] has been used to modify the microscopic recrystallization rates.Simulations of the regrowth velocity as a function of temperature for different dopant concentrationshave shown a reasonable agreement with experimental data. In summary, in thismanuscript a unified SPER model relying on the LKMC approach is presented. It takes intoaccount various technologically relevant parameters influencing the regrowth kinetics such astemperature, crystalline orientation, stress and dopants. The model is per se three-dimensionaland can therefore be used to explore multi–directional regrowth phenomena that take place inreal electronic devices.

Ce travail de recherche portant sur la compréhension des premières étapes de synthèse des zéolithes s'inscrit dans le cadre général de développements efficients de nouveaux catalyseurs performants. De nombreuses incertitudes demeurent quant aux mécanismes moléculaires de leur formation, en particulier lors de la nucléation en conditions de synthèse hydrothermale. Dans ce contexte, une méthodologie globale a été proposée afin d'évaluer l'impact des variables de synthèse sur la formation des espèces siliciques. La réalisation de ce travail a nécessité l'usage de différentes méthodes théoriques, combinant des calculs ab initio DFT et des simulations kMC. Un nouveau module kMC nommé Réacdiff a ainsi été développé et validé avec le modèle Lodka. L'extension des chemins réactionnels vers des espèces plus complexes a été effectuée et le recours à des modèles théoriques du type Brønsted-Evans-Polanyi (BEP) a été indispensable afin de les estimer rapidement. Un nouveau modèle des étapes réactionnelles d'oligomérisation a été proposé et a permis de tester l'effet crucial des agents organiques structurants (AS). Ces travaux ont permis de donner un nouveau regard sur la compréhension de la condensation des espèces siliciques durant les premières étapes de la synthèse des zéolithes. / This research work on the understanding of the early stages of zeolites synthesis fits withinthe general framework of the technological lock on the lower cost of new efficient catalysts synthesisoptimization. Many uncertainties remain with respect to the molecular mechanisms of their formation,in particular during nucleation in hydrothermal synthesis conditions. In this context, a comprehensivemethodology was proposed to assess the impact of synthesis variables in the formation of silicicspecies. This objective has required the use of different theoretical methods, combining ab initio DFTcalculations and kMC simulations. The creation of a new kMC module named Reacdiff has beendeveloped and validated with the Lodka model. The extension of reaction pathways to more complexspecies was carried out with the essential use of theoretical models like Brønsted-Evans-Polanyi(BEP) to quickly estimate. A new anionic model of the reaction steps of oligomerization has beenproposed and has allowed testing the crucial effect of organic templates. These thesis works gave anew understanding on the condensation of silicic species in early stages of zeolite synthesis.

Cette thèse présente l'élaboration et l'étude de nanofils ferromagnétiques de cobalt, nickel et d'alliages cobalt-nickel épitaxiés en matrice de titanate de strontium et de baryum. Les fils sont élaborés par auto-assemblage lors de dépôts séquentiels par ablation laser pulsé. Tout d'abord, les paramètres de croissance permettant de contrôler le diamètre des fils et leur densité sont mis en évidence en modélisant la croissance de l'hétéro-structure par simulations Monte-Carlo cinétique. Ensuite, on montre que les fils sont dilatés axialement et relaxés radialement. L'origine de l'état dilaté est expliquée en adaptant le modèle de Frenkel-Kontorova à notre situation et les inhomogénéités de déformation des nanofils sont décrites en analysant des cartographies de l'espace réciproque. La dilatation crée une anisotropie magnétique, par couplage magnéto-élastique, qui, dans le cas du nickel, peut compenser l'anisotropie de forme des fils. Enfin, pour des fils de Co0.4Ni0.6 de diamètre supérieur à quatre nanomètres, la température de blocage de l'assemblée de fils est supérieure à la température ambiante et la barrière d'énergie du renversement magnétique est de l'ordre d'un électronvolt, ce qui est intéressant pour d'éventuelles applications, par exemple en enregistrement de données. / In this PhD thesis, we study the growth and the properties of ferromagnetic nanowires made of cobalt, nickel and cobalt-nickel, embedded in a matrix made of of strontium and baryum titanate. The nanowires are grown taking advantage of self-assembly processes occurring during sequential pulsed laser deposition. First, we model the growth with a kinetic Monte-Carlo code to highlight the parameters that control the diameter and the density of the nanowires. Then, it is shown that the nanowires are strained along their axis, and relaxed perpendicular to it. The origin of the strained state is explained in the framework of the Frenkel-Kontorova model, and its inhomogeneities are described through analysis of mappings of the reciprocal space. Furthermore, it is shown that the strain is high enough to shift the magnetic easy axis of the nickel nanowires, through magneto-elastic coupling. Finally, for Co0.4Ni0.6 nanowires with a diameter greater than four nanometers, the blocking temperature of the assembly is above room temperature and the energy barrier for the magnetic reversal of the nanowires is of the order of one electronvolt. This is interesting for potential applications in data storage, for example.

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la structure et les propriétés magnétiques de nanoparticules CoxPt1-x épitaxiées sur une surface Au(111). Notre étude de la croissance des nanostructures, réalisée par microscopie à effet tunnel, a montré que l'utilisation d'une surface auto-organisée Au(111) permettait d'obtenir une croissance organisée d'ilots pour des concentrations en platine allant jusqu'à 50%. Nous avons également mis en évidence une modification de la morphologie des nanostructures en fonction de leur composition. En effet, les ilots d'alliage CoxPt1-x présentent une morphologie ambicouche (i.e. la présence simultanée de parties monocouche et bicouche) qui semble propre aux nanostructures d'alliage. Des simulations de dynamique moléculaire nous ont permis de démontrer que cette morphologie résultait de considérations cinétiques. En effet, le cobalt présente un désaccord de paramètre de maille important avec l'or, ce qui lui permet de monter en 2e couche via une faible énergie d'activation. Ainsi, malgré la forte enthalpie de mélange du système (Co,Pt) il se produit une démixtion partielle au sein des nanostructures, avec un enrichissement en cobalt des couches supérieures. L'ajustement de cycles d'aimantation (obtenus par dichroïsme magnétique circulaire des rayons X) en fonction de la température et de l'angle d'application du champ nous a permis de montrer la diminution de l'anisotropie magnétique des ilots en fonction de l'augmentation de la concentration en platine. Nous avons interprété ce résultat via un modèle phénoménologique de paires qui montre que le rapport d'aspect très anisotrope des nanostructures (un ou deux plans atomiques) est à l'origine de cette variation.

Le sujet principal de cette thèse concerne les interactions électrostatiques à très longues portés entre atomes de Rydberg. Les atomes de Rydberg offrent une polarisabilité extrêmement importante qui conduit dans plusieurs configurations, à des interactions de type dipôle-dipôle dont la portée peut atteindre plus de 10 microns. Nos expériences à haute résolution montrent une inhibition de l'excitation par un contrôle de l'interaction entre paires d'atomes de Rydberg au voisinage d'une résonance en énergie ainsi que par couplage interne entre niveaux de Rydberg lors de l'application d'un champ électrique. Ces résultats obtenus dans un ensemble macroscopique ont été transposés à un système de deux atomes seulement (collaboration avec l'Institut d'Optique). Nous analysons ensuite la dynamique spatiale et temporelle des expériences de blocage dipolaire en champ électrique à l'aide d'un algorithme Monte Carlo cinétique et nous étudions la formation d'ions et leurs conséquences. L'observation de l'ionisation Penning pour des potentiels attractifs pouvant conduire à un plasma froid mais aussi pour des potentiels répulsifs entre deux atomes de Rydberg indique un rôle de transfert du rayonnement thermique. Un deuxième sujet est l'étude de la formation de molécules froides de césium. Des lasers à large bande spectrale ont été utilisés pour la détection de ces molécules froides et dans des schémas de refroidissement des degrés de liberté internes du dimère de césium. Dans ce dernier cas l'utilisation d'un laser femtoseconde mode bloqué façonné en intensité et en fréquence nous a permis de peupler après quelques cycles d'absorption-émission spontanée l'état vibrationnel v=0 de l'état fondamental du dimère de césium.

La miniaturisation des composants électroniques et en particulier celle d'une des "briques élémentaires" de la microélectronique, le transistor MOS, nécessite l'emploi d'un nouvel oxyde de grille en remplacement du traditionnel oxyde de silicium. En effet, cette grille tend à devenir tellement fine que les courants de fuite à travers celle-ci deviennent trop importants pour garantir un fonctionnement satisfaisant. Plusieurs oxydes à fortes permittivités on été identifiés pour remplacer le SiO2. Notre étude repose sur le développement d'un simulateur Monte-Carlo cinétique original au sein d'une approche multi-échelles, allant de la molécule au réacteur de dépôt. Des études ab initio contribuent à identifier les mécanismes réactionnels élémentaires avant de les intégrer dans le simulateur. Celui-ci peut alors gérer jusqu'à plusieurs millions d'atomes, sur des durées de l'ordre de la seconde. Atteindre ces échelles d'espace et de temps permet une confrontation directe avec les résultats expérimentaux et les simulations de type macroscopique. Après un tour d'horizon du contexte de l'étude et du cadre méthodologique, cette thèse expose la conception du simulateur Monte-Carlo en interaction avec les différentes contributions du projet européen « Hike » (5ème PCRD de l'Union Européenne): modélisation du substrat, simulation du procédé de croissance par monocouches atomiques (Atomic Layer Deposition), dynamique temporelle, mécanismes réactionnels élémentaires... La validation du logiciel a non seulement conforté la démarche adoptée mais aussi donné de précieuses informations concernant la réactivité du substrat, les mécanismes et la cinétique de croissance de plusieurs oxydes à fortes permittivités, en particulier l'oxyde d'hafnium.