Ce travail se place dans le cadre des réacteurs nucléaires de 4ème génération tels que les réacteurs à neutrons rapides et caloporteur gaz (RNR-G), pour lesquels des matériaux réfractaires comme le nitrure de titane (TiN) enroberont le combustible afin de permettre la rétention des produits de fission. Cette étude a porté sur le comportement thermique intragranulaire du xénon dans des échantillons de TiN obtenus par frittage à chaud sous charge. Le rôle de la microstructure sur le comportement thermique du xénon a été étudié. Plusieurs lots ont ainsi été synthétisés sous différentes conditions de température et de composition de la poudre initiale. Le xénon a été introduit par implantation ionique. Les échantillons ont ensuite subi des traitements thermiques entre 1300°C et 1600°C, soient les températures accidentelles envisagées. Un transport majoritaire du xénon vers la surface a été mis en évidence. Ce dernier est ralenti lorsque la température de frittage augmente. Des différences de comportement ont été observées selon les poudres mises en oeuvre dans la synthèse et selon l'orientation cristalline du grain considéré. Le relâchement du xénon a également été corrélé à l'oxydation de TiN. Des bulles de Xe dès 0,38 % atomique ont été observées. Leur taille est proportionnelle à la concentration en Xe et augmente avec la température de recuit, d'où une certaine mobilité du Xe au sein de TiN. Plusieurs mécanismes pouvant expliquer cette mobilité sont proposés. En complément, des calculs ab initio ont confirmé le caractère fortement insoluble du Xe dans TiN et révélé que les bilacunes sont les plus favorables à l'incorporation du xénon au sein de ce matériau.

La pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) est un procédé de dépôt de couches minces dans lequel le flux de dépôt est principalement composé d’ions du matériau pulvérisé. Ce type de décharge permet de contrôler l’énergie et la direction des espèces qui seront déposées, ce qui est favorable à la modification de la structure et des propriétés finales des couches. Malgré tous les travaux de recherches menés pour caractériser et comprendre les conditions de décharge HiPIMS, la nécessité de développer des couches minces utiles à la société reste toujours d’actualité. La finalité de ce travail est l’obtention de couches minces HiPIMS plus performantes que celles obtenues aujourd'hui en utilisant des techniques de dépôt classiques. Pour cela il est indispensable d'identifier et d'optimiser les paramètres de dépôt permettant de modifier à la fois la microstructure des couches, la contrainte résiduelle et les propriétés liées à l'énergie telles que la résistivité électrique et la bande interdite. Trois matériaux sont au cœur de ce travail : le cuivre, le dioxyde de titane et le nitrure de titane. Les études expérimentales ont montré que les paramètres les plus importants pour obtenir les propriétés souhaitées étaient la quantité et l’énergie cinétique des espèces ionisées irradiant la couche au cours de sa croissance. Par ailleurs, les paramètres de croissance optimale entre couches métalliques et couches composées diffèrent considérablement. / High power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) is a thin film deposition technique where the deposition flux is predominantly composed of ionized sputtered material. This enables control of energy and direction of the film-forming species and is thereby beneficial for tailoring the film structure and final properties. Although researchers world-wide have spent significant time and efforts characterizing and understanding the plasma process conditions in HiPIMS, research in new and improved HiPIMS-based thin film materials that find applications in areas of importance for society is still required. The goal of this work has been to identify and optimize the deposition parameters that allow tailoring the film microstructure, intrinsic stress and energy-related properties, such as electrical resistivity and optical band gap, to ultimately achieve superior HiPIMS coatings compared to what is achieved today using conventional deposition techniques. Three material systems constitute the core of the work: copper, titanium dioxide, and titanium nitride. From the work carried out it is concluded that the most important parameters affecting the film structure and properties are the amount as well as the kinetic energy of the ionized sputtered species irradiating the film during growth. These parameters differ substantially for optimum growth conditions of metallic and compound films.

Le carbure et le nitrure de titane ont été élaborés par des procédés chimiques et physiques en phase vapeur. Ces procédés ont permis l'obtention d'un revêtement céramique épais et dense en vue de la protection d'un dispositif métallique en tungstène. L'influence des différents paramètres expérimentaux, propres à chaque procédé, a été étudiée sur la germination, la microstructure et la texturation des revêtements, tout en intégrant l'interaction avec le substrat. L'analyse des contraintes résiduelles, réalisée par la méthode de sin2 ψ , a permis d'expliquer le comportement vis-à-vis de la fissuration de différents dépôts.

Depuis 10 ans, les détecteurs à inductance cinétique (Kinetic Inductance Detector KID) ont connu un essor considérable dans le domaine de la radioastronomie millimétrique pour atteindre des limites de sensibilités de l'ordre du bruit de photon. Le détecteur à inductance cinétique est un résonateur, équivalent à un circuit RLC dont la fréquence de résonance est f_0, lithographié dans un métal supraconducteur. Des photons incidents, possédant une énergie plus grande que le gap supraconducteur, sont absorbés dans le matériau et modifient son impédance de surface résultant en un décalage Df_0 de la fréquence de résonance du résonateur. Plusieurs centaines de résonateurs, de fréquence de résonance distincte, sont organisés en matrice. Nous étudions la réalisation de matrices de détecteurs en aluminium contenant jusqu'à 1932 pixels sur des substrats de diamètre 100 mm sur lesquels les propriétés physiques du matériau supraconducteur sont très homogènes. Différentes approches permettant l'optimisation électrique et optique de ces matrices sont proposées. Ces optimisations ont permis de sélectionner des matrices de détecteurs répondant aux caractéristiques requises par l'IRAM et qui sont à présent installées dans l'instrument NIKA-2 (New Instrument of KID Array) au télescope de 30 m sur le Pico Veleta en Espagne. Nous analysons également la déposition par pulvérisation réactive de films fin de nitrure de titane et nous présentons une méthode rapide et non destructive de caractérisation de la teneur en azote dans ces films par ellipsométrie. Nous décrivons des détails sur l'amélioration du bâti de déposition pour produire des films de TiN plus homogènes en teneur d'azote. Des matrices de détecteurs en nitrure de titane sont fabriquées et caractérisées à partir de ces films. Les performances de cette première matrice sont prometteuses et nous encouragent à poursuivre leur développement. / For 10 years, kinetic inductance detectors are developed for millimeter radioastronomy and they now reach photon-noise sensitivities. A kinetic inductance detector (KID) is a resonator, equivalent to an RLC circuit whose resonant frequency is f_0, structured in a superconducting metal. Incoming photons, with energy greater than the superconducting gap, are absorbed in the metal and change its surface impedance leading to a shift Df_0 of the resonant frequency of the resonator. KID arrays are made with hundred of resonators with different resonant frequencies. We study the fabrication of aluminum-KID arrays of 1932 pixels on 4 inch substrate with homogeneous superconducting properties over this area. Various ways to electrically and optically optimize these arrays are proposed. These optimization allow us to choose arrays that have the required performances. These arrays are now installed in the NIKA-2 (New Instrument of KID Array) instrument in IRAM's 30 m telescope located on the Pico Veleta in Spain. We also analyze reactive sputtered titanium nitride thin films and we present a rapid and non-destructive measurement to characterize the nitrogen content in these films. We describe upgrades of the deposition chamber that allow more uniform thin films to be deposited. TiN KID arrays are fabricated and characterized from these optimized thin films. The performances of these TiN prototype arrays are surprisingly good and encourage future work.

Ce travail se place dans le cadre des réacteurs nucléaires de 4ème génération tels que les réacteurs à neutrons rapides et caloporteur gaz (RNR-G), pour lesquels des matériaux réfractaires comme le nitrure de titane (TiN) enroberont le combustible afin de permettre la rétention des produits de fission. Cette étude a porté sur le comportement thermique intragranulaire du xénon dans des échantillons de TiN obtenus par frittage à chaud sous charge. Le rôle de la microstructure sur le comportement thermique du xénon a été étudié. Plusieurs lots ont ainsi été synthétisés sous différentes conditions de température et de composition de la poudre initiale. Le xénon a été introduit par implantation ionique. Les échantillons ont ensuite subi des traitements thermiques entre 1300°C et 1600°C, soient les températures accidentelles envisagées. Un transport majoritaire du xénon vers la surface a été mis en évidence. Ce dernier est ralenti lorsque la température de frittage augmente. Des différences de comportement ont été observées selon les poudres mises en oeuvre dans la synthèse et selon l'orientation cristalline du grain considéré. Le relâchement du xénon a également été corrélé à l’oxydation de TiN. Des bulles de Xe dès 0,38 % atomique ont été observées. Leur taille est proportionnelle à la concentration en Xe et augmente avec la température de recuit, d’où une certaine mobilité du Xe au sein de TiN. Plusieurs mécanismes pouvant expliquer cette mobilité sont proposés. En complément, des calculs ab initio ont confirmé le caractère fortement insoluble du Xe dans TiN et révélé que les bilacunes sont les plus favorables à l'incorporation du xénon au sein de ce matériau. / This work concerns the generation IV future nuclear reactors such as gas-cooled fast reactor (GFR) for which refractory materials as titanium nitride (TiN) are needed to surround fuel and act as a fission product diffusion barrier. This study is about Xe thermal behavior in sintered titanium nitride. Microstructure effects on Xe behavior have been studied. In this purpose, several syntheses have been performed using differents sintering temperatures and initial powder compositions. Xenon species have been introduced into samples by ionic implantation. Then, samples were annealed in temperature range from 1300°C to 1600°C, these temperatures being the accidental awaited temperature. A transport of xenon towards sample surface has been observed. Transport rate seems to be slow down when increasing sintering temperature. The composition of initial powder and the crystallographic orientation of each considered grain also influence xenon thermal behavior. Xenon release has been correlated with material oxidation during annealing. Xenon bubbles were observed. Their size is proportional with xenon concentration and increases with annealing temperature. Several mechanisms which could explain Xe intragranular mobility in TiN are proposed. In addition with experiments, very low Xe solubility in TiN has been confirmed by ab initio calculations. So, bivacancies were found to be the most favoured Xe incorporation sites in this material.

Les travaux dans cette thèse ont pour objectif la synthèse de catalyseurs (nanoparticules de cuivre) de taille contrôlée pour la synthèse de nanofils de silicium dans des conditions compatibles CMOS, c'est-à-dire en évitant l'utilisation de l'or comme catalyseur et pour des croissances basse température (<450°C). Les résultats obtenus ont permis de montrer que les techniques de chimie de surface classiquement utilisées pour la préparation de catalyseurs sur des supports 3D (silice, nitrure de titane…) sont directement applicables et transférables sur des supports 2D (wafer de silicium recouvert de films fins de SiO2, SiOx et TiN). Nous avons par exemple pu préparer des nanoparticules de cuivre de taille contrôlée (de 3 nm à 40 nm de diamètre moyen suivant les conditions expérimentales et supports). De plus, les mécanismes de formation des nanoparticules en fonction des propriétés de surface des matériaux étudiés ont été démontrés en combinant diverses techniques d'analyses de surface. La croissance de nanofils de silicium à partir de ces catalyseurs sur substrats 2D a également été réalisée avec succès dans des procédés à basse température. Il a notamment été montré l'existence d'un diamètre minimum critique à partir de laquelle la croissance basse température était possible / The work presented in this PhD thesis aimed at the preparation of copper nanoparticles of controllable size and their utilization as catalysts for the growth of silicon nanowires in a process compatible with standard CMOS technology and at low temperature (< 450°C). The growth of silicon nanowires by Chemical Vapor Deposition (CVD) via the catalytic decomposition of a silicon precursor on metallic nanoparticles at low temperature (Vapor Solid-Solid process) was demonstrated to be possible from an oxidized Cu thin film. However, this process does not allow the control over nanowires diameter, which is controlled by the diameter of the nanoparticle of catalyst. In this PhD is presented a fully bottom-up approach to prepare copper nanoparticles of controllable size directly on a surface without the help of external stabilizer by mean of surface organometallic chemistry. First, the preparation of copper nanoparticles is demonstrated on 3D substrates (silica and titanium nitride nanoparticles), along with the fine comprehension of the formation mechanism of the nanoparticles as a function of the surface properties. Then, this methodology is transferred to planar (2D) substrates typically used in microelectronics (silicon wafers). Surface structure is demonstrated to direct the Cu nanoparticles diameter between 3 to 40 nm. The similarities between the 2D and 3D substrates are discussed. Finally, the activity of the Copper nanoparticles in the growth of Silicon nanowire is presented and it is demonstrated that in our conditions a critical diameter may exist above which the growth occurs

Ce travail est consacré à la recherche et l'étude d'une filière de valorisation des verres de Tubes à Rayons Cathodiques (TRC) en fin de vie. La présence d'éléments lourds dans la composition de ces verres oblige les fabricants et les distributeurs à les recycler afin d'éviter leur mise en décharge, limitée aux déchets ultimes.<br />La filière la plus prometteuse semble celle du verre expansé, matériau déjà commercialisé et qui permettrait d'écouler la quasi-totalité du gisement. Le verre expansé est obtenu après traitement thermique d'un mélange de poudre de verre de TRC et d'un réducteur qui peut être le nitrure de titane ou le carbure de silicium. La réaction entre le réducteur et l'oxyde de plomb présent dans la matrice donne lieu à un dégagement gazeux à l'origine de la structure cellulaire.<br />Une faible densité justifiée par une forte porosité, autour de 80%, ainsi qu'une distribution de taille d'accès aux pores unique et centrée autour de 0,3 à 0,5 µm suivant le réducteur utilisé ont été obtenues.<br />La présence de plomb métal sous forme de bille en surface de pores a pu être mis en évidence.<br />Les mousses obtenues possèdent une conductivité thermique faible (<0,25 W.m-1.K-1), ce qui les classe dans la catégorie des isolants thermiques tout en possédant des propriétés mécaniques satisfaisantes : contrainte moyenne à la rupture variant de 4 à 250 MPa suivant le procédé de synthèse. Les propriétés d'isolation électrique sont conservées. <br />L'ensemble de ces propriétés permet d'envisager des applications industrielles comme la réalisation de panneau d'isolation, en accord avec les réglementations environnementales. <br />Une dépollution partielle du matériau par extraction mécanique des billes de plomb formées après traitement thermique est par ailleurs envisageable.

En tant que technologie de projection thermique avancée, la projection plasma sous basse pression (LPPS) permet d'obtenir des revêtements de haute qualité et peut combler l'écart d'épaisseur entre les technologies de projection thermique conventionnelles et les procédés de couche mince standard. En outre, LPPS permet de construire des revêtements uniformes avec diverses microstructures; le dépôt a lieu non seulement à partir des éclaboussures liquides, mais aussi à partir des amas nanométriques ainsi que de la phase vapeur en fonction des conditions opérationnelles. Afin de continuer à améliorer et à développer le procédé LPPS, cette recherche vise à le combiner avec les procédés émergents de projection plasma en suspension et de projection plasma réactif. Il devait à la fois fournir deux nouveaux processus intégrés et réaliser des revêtements à structure fine avec des microstructures uniques et des performances élevées.Une torche à plasma bi-cathode (laboratoire LERMPS, UTBM, France) à mode d'injection axiale a été conçue et construite pour le LPPS, dont la puissance maximale en entrée du plasma a pu atteindre 80 kW. En utilisant cette nouvelle torche, soit la suspension à très fines particules, soit les poudres micrométriques ont pu être injectées dans le centre du plasma à basse pression. En conséquence, le transfert de chaleur et de masse entre le jet de plasma et les matériaux pulvérisés a été amélioré.La torche à plasma bi-cathode axiale a été appliquée d'abord pour pulvériser deux types de charges de YSZ, y compris la suspension de YSZ et les poudres agglomérées de YSZ. Les résultats ont indiqué que tous les revêtements YSZ présentaient des structures relativement denses en raison de la grande vitesse des particules sous faibles pressions. Les revêtements ont été composés des particules fondues, des particules agglomérées ainsi que du dépôt en phase vapeur. Il a été constaté que le degré de vaporisation de YSZ a été augmenté en utilisant une taille de particule plus fine, une pression ambiante plus basse, une distance de pulvérisation plus longue et une puissance de plasma plus élevée. En outre, tous les revêtements YSZ ont subi une transformation de phase significative d'une phase monoclinique à une phase tétragonale, et le degré de transformation était proportionnel au degré de vaporisation. Cependant, les propriétés mécaniques des revêtements résultants ont des comportements opposés. Les revêtements YSZ préparés à partir des particules agglomérées, qui avaient une plus grande taille de gouttelettes et moins de dépôt en phase vapeur, présentaient une dureté et un module de Young plus élevés que les revêtements YSZ fabriqués à partir d'une suspension fine.Une autre torche à plasma à haute énergie O3CP (Oerlikon Metco, Suisse) a été utilisée pour synthétiser in situ les revêtements de TiN sur des alliages de Ti-6Al-4V par projection de plasma réactive à très basse pression. Les poudres de Ti pur ont été pulvérisées dans une atmosphère de N2 sous une puissance de plasma d'entrée de 120 kW. Les revêtements TiN hybrides structurés ont été synthétisés, ce qui n'était pas le cas auparavant avec d'autres procédés de projection thermique. Il est connu que la réaction de nitruration se produisait non seulement dans le jet de plasma mais aussi sur le substrat. De plus, avec l'augmentation de la distance de pulvérisation, l'effet de nitruration a été affaibli et la structure hybride du revêtement de TiN a changé de laminaire dense en colonne poreuse, en function du degré de vaporisation supérieur, de la concentration de réactive inférieure et du substrat plus froid.. Néanmoins, ils ont également permis d'améliorer les propriétés mécaniques du substrat Ti-6Al-4V. / As an advanced thermal spray technology, low-pressure plasma spray (LPPS) allows obtaining high-quality coatings and can bridge the thickness gap between conventional thermal spray technologies and standard thin film processes. Moreover, LPPS permits to build uniform coatings with various microstructures; deposition takes place not only from liquid splats but also from nano-sized clusters as well as from the vapor phase depending on operational conditions. In order to further improve and develop the LPPS process, this research aims to combine it with the emerging suspension plasma spray and reactive plasma spray processes. It was expected to both provide two novel integrated processes and achieve fine-structured coatings with unique microstructures and high performance.A bi-cathode plasma torch (LERMPS lab, UTBM, France) with an axial injection mode was designed and built for LPPS, whose maximum input plasma power was able to reach to 80 kW. By using this new torch, either the very fine-particle suspension or the micro-sized powders was able to be injected into the plasma center under low pressures. As a result, the heat and mass transfer between the plasma jet and the sprayed materials were enhanced.The axial bi-cathode plasma torch was applied firstly to spray two kinds of YSZ feedstocks, including the YSZ suspension and the YSZ agglomerated powders. The results indicated that all the YSZ coatings exhibited relatively dense structures due to the high velocity of particles under low pressures. The coatings were composed of the melted particles, the agglomerated particles as well as the vapor deposition. It was found that the vaporization degree of YSZ was increased by using smaller particle size, lower ambient pressure, longer spraying distance and higher plasma power. In addition, all the YSZ coatings undergone a significant phase transformation from a monoclinic phase to a tetragonal phase, and the transformation degree was proportional to the vaporization degree. However, the mechanical properties of the resulting coatings had the opposite behaviors. The YSZ coatings prepared from the agglomerated particles, which had a bigger droplet size and less vapor deposition, showed a higher hardness and Young's modulus than the YSZ coatings fabricated from fine suspension did.Another high-energy plasma torch O3CP (Oerlikon Metco, Switzerland) was employed to in-situ synthesize the TiN coatings on Ti-6Al-4V alloys by reactive plasma spray under very low pressure. The pure Ti powders were sprayed into an N2 atmosphere under an input plasma power of 120 kW. The hybrid structured TiN coatings were synthesized, which was not previously achieved with other thermal spraying processes. It was known that the nitriding reaction occurred not only in the plasma jet but also on the substrate. Additionally, with increasing spraying distance, the nitriding effect was weakened, and the hybrid structure of TiN coating changed from dense laminar to porous columnar, according to the higher vaporization degree, lower reactant concentration and colder substrate. Nevertheless, they also were able to improve the mechanical properties of the Ti-6Al-4V substrate.