Dans un contexte où les limites intrinsèques des matériaux classiques de l'industrie CMOS sont en passe d'être atteintes du fait de la forte miniaturisation des composants, le développement de la microélectronique requiert la définition de nouvelles solutions pour combiner sur un même substrat (le silicium) des matériaux différents aux propriétés physiques variées. Ceci devrait permettre d'intégrer sur silicium des fonctionnalités nouvelles. Parmi les matériaux d'intérêt, les oxydes fonctionnels de la famille des pérovskites offrent une large gamme de propriétés et attirent donc une attention particulière. D'autre part, la recherche se porte aussi sur les semi-conducteurs de la classe III-V et le Ge pour leurs propriétés optiques ou de transport de charges. Cependant, la grande hétérogénéité chimique et cristallographique entre ces matériaux rend leur association sur silicium par voie épitaxiale particulièrement délicate. Dans ce contexte, ce travail de thèse consiste en une étude approfondie de l'interface Ge sur SrTiO3et des mécanismes à l'origine des modes d'accommodation et de croissance du semi-conducteur sur le substrat pérovskite. Les échantillons, fabriqués par épitaxie par jets moléculaires, ont été étudiés par caractérisations in situ, au synchrotron, diffraction de rayons X en incidence rasante et spectroscopie de photoémission. Des images de microscopie électronique en transmission sont venues compléter cette étude. La combinaison de ces résultats a permis de comprendre et de décrire deux aspects spécifiques des systèmes III-V et Ge sur SrTiO3. Le mode de croissance Volmer-Weber et la compétition entre les orientations cristallines(001) et (111) du Ge sont décrits dans une première partie. La relation d'épitaxie de Ge/SrTiO3est identifiée et l'influence des énergies d'adhésion et de surface libre du semi-conducteur sur sa croissance est élucidée. Dans une deuxième partie, le mode d'accommodation du Ge est plus spécifiquement étudié. La mise en place d'un réseau de dislocations d'interface est observée expérimentalement et analysée à l'aide d'un modèle numérique. Ce travail de thèse a permis de discuter de l'interface d'un système épitaxié très hétérogène et il ouvre des perspectives intéressantes, liées aux spécificités de l'accommodation aux interfaces semi-conducteurs/oxydes, pour l'intégration monolithique de Ge et de III-V sur des substrats d'oxydes/Si.

L'étude électrochimique des interfaces semi-conducteur - électrolyte peut-être un élément fondamental d'une méthode d'investigation adaptée à la connaissance de l'état solide. En effet, pour les solutions solides d'oxyde de lithium dans l'oxyde de nickel, l'ensemble de nos résultats sont reproductibles et caractéristiques de chaque oxyde étudié. En outre, les mesures potentiométriques confirment le mécanisme proposé pour l'introduction du lithium (concentration en dopant supérieure à 0,1 atome %).La calcination des mélanges d'hydroxyde de nickel et de lithium se faisant à 660°C, sous air, il s'introduit un atome d'oxygène excédentaire pour deux atomes de lithium, dans le réseau des solutions solides. Le mécanisme proposé fait apparaître trois hypothèses différentes suivant la concentration en dopant. Dans chacun des cas, l'évolution de certaines propriétés physicochimiques du solide s'explique par le sens de variation du nombre de lacunes et de trous d'électrons. En outre, il ressort que la plupart des ions lithium se placent en substitution du nickel. Le potentiel d'électrode de nos solutions solides est fonction du pH de la solution ; nous notons la présence d'une couche adsorbée sur l'électrode, en équilibre avec les protons de l'électrolyte. A partir de mesures de potentiel Zêta, nous avons montré que : (¤) la chute de potentiel dans la région de charge d'espace, à l'intérieur du semi-conducteur, est une fonction décroissante de la concentration en lithium dans l'oxyde, (¤) la chute de potentiel dans l'électrolyte est une fonction croissante de la teneur en dopant. Nous proposons, comme suite à ce travail, de caractériser le solide par des méthodes potentiocinétiques. Au cours de chaque polarisation, nous évaluerons la contribution apportée par le lithium sur la modification de structure électronique du solide.

Les villes concentrent les activités humaines, par là-même des sources de pollution importantes. Elles jouent un rôle majeur en matière de qualité de l'air et de changement climatique. Quantifier l'impact des émissions urbaines aux échelles régionale et globale nécessite de caractériser l'export des polluants anthropiques urbains. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la distribution des oxydes d'azote (NOx) en région parisienne, en particulier à l'influence de la variabilité de l'épaisseur de la couche limite sur leur distribution verticale. Pour ce faire, nous avons analysé, comparé et confronté les mesures d'instruments déployés au sol et dans l'espace : mesures in-situ de NO2 du réseau AIRPARIF, colonnes intégrées de NO2 du spectromètre UV-visible SAOZ de la station Qualair et des instruments spatiaux SCIAMACHY et GOME-2, hauteur de couche limite du microlidar rétrodiffusion de la station Qualair. La construction de cette base de données a nécessité de nombreux développement algorithmiques, qu'il s'agisse de déterminer la hauteur de couche limite à partir des observations lidar, ou de filtrer les observations du SAOZ en présence de nuages. L'étude combinée de la variabilité de la hauteur de couche limite et de la distribution des NOx a permis de préciser les relations entre concentrations au sol et contenus intégrés selon la verticale, et a souligné l'intérêt de disposer d'une mesure intégrée depuis le sol, et en centre ville, pour estimer les émissions urbaines de NOx. Par ailleurs, ce travail a mis en évidence l'existence de gradients verticaux de NO2 prononcés dans la couche limite urbaine, l'hypothèse d'un profil vertical uniforme, souvent utilisé lors des inversions satellite, n'étant pas pertinente. À partir des observations disponibles, nous avons enfin établi, analysé et discuté les conditions de validité d'une relation empirique permettant de relier directement le contenu intégré de NO2 dans la couche limite à sa concentration de fond en surface.

Nous avons étudié à température ambiante le retournement de l'aimantation par microscopie magnéto-optique Kerr longitudinale de trois couches minces La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO) déposées sur des substrats SrTiO3 vicinaux et non vicinaux. Ce matériau ferromagnétique à température ambiante présente un intérêt pour la réalisation des dispositifs magnétorésistifs non refroidis. Avant de concevoir un capteur magnétorésistif, il est indispensable de comprendre le comportement magnétique du matériau qui le constitue. Nous avons observé trois types de retournement de l'aimantation (retournement par nucléation et propagation de parois, retournement cohérent, ou mélange des ces deux types). Nous avons montré l'effet de plusieurs paramètres (orientation du champ magnétique par rapport aux marches et au courant électrique, taille du motif et épaisseur de la couche). Une dépendance temporelle du retournement de l'aimantation a été également remarquée. La magnétorésistance à très faible champ magnétique est influencée par la présence ou l'absence de parois de domaine et par l'orientation du champ par rapport au courant et marches. La mesure des différentes sensibilités magnétiques conduit à une sensibilité de 1000 %/T dans l'échantillon vicinal de petite épaisseur, ce qui est dix fois plus que dans une couche non vicinale, tout en conservant le même niveau de bruit à basse fréquence. Ces résultats ouvrent donc des perspectives intéressantes en termes d'applications.

La croissance de couches minces épitaxiées de La0.7Sr0.3MnO3 a été réalisée sur différents substrats, dont SrTiO3 (001), (110), vicinal et Si. La conception de bolomètres et de dispositifs spintroniques est donc envisageable. Différentes techniques de dépôt ont été utilisées: la pulvérisation cathodique, l'ablation laser pulsée, assistée ou non par RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction). Les échantillons ont été caractérisés par diffraction de rayon X, en étudiant particulièrement l'épitaxie et la contrainte dans les couches. Des analyses complémentaires de RHEED, de LEED (Low Energy Electron Diffraction), et de STM/AFM (Scanning Tunneling/Atomic Force Microscopies) ont été également réalisées, ainsi que des mesures de résistivité et d'aimantation en fonction de la température. L'effet de l'orientation du substrat SrTiO3 a ainsi été montré. Trois dispositifs spintroniques utilisant une couche morte, des surfaces vicinales ou l'injection de spin sont finalement présentés.

Les composés électrochomes changent de couleur en fonction d'une tension qui leur est appliquée. La tenue en cyclage de couches minces à base de NiO, électrochrome cathodique, dépend fortement de la température et de la pression de dépôt. D'autre part la proportion de phase électrochimiquement active dépend fortement de l'épaisseur des couches. Selon le modèle proposé NiO en milieu KOH se transforme en hydroxyde de nickel Ni(OH)2 puis dans la phase de coloration en oxyhydroxyde NiOOH avant de revenir à sa forme réduite durant la phase décoloration. À la fin de ce cycle, des traces de phase colorée persistent. Nous avons développé des nouvelles méthodes numériques d'analyse des spectres d'absorption de rayons X, caractérisant la structure locale autour du nickel dans ces phases non cristallisées, afin de déterminer les concentrations des diverses espèces au cours du cycle. Aucune des méthodes habituellement pratiquées, comme la combinaison linéaire d'espèces modèles par la méthode des moindres carrés linéaire, et la méthode d'Analyse en Composantes Principales, ne sont adaptées aux cas de spectres fortement corrélés comme les oxydes-hydroxydes de nickel. Nous montrons qu'il est possible d'améliorer la méthode des moindres carrés en utilisant un algorithme original : " la méthode des Moindres Carrés Linéaire Progressive ". La base de cette méthode est fondée sur l'étude statistique des erreurs et corrélations. Ce travail a permis de valider le modèle électrochimique et d'évaluer pour la première fois la concentration en NiOOH dans la phase réduite, signature de l'irréversibilité. Seule, la présence avant cyclage de Ni(OH)2 dans les films de NiO n'a pu être expliquée

Les concepts de matériaux multiferroïques et/ou magnétoélectriques permettent d'envisager de nouveaux dispositifs de mémoires plus performants et moins consommateurs d'énergie. Malheureusement de tels matériaux présentant ces propriétés à température ambiante ne sont pour l'instant pas disponibles. Les matériaux qui font l'objet des études présentées dans ce manuscrit, les ferrites de gallium Ga2-xFexO3, 0,7 ≤ x ≤ 1,4, sont d'excellents candidats. Le présent travail de thèse en a étudié les propriétés électriques, tant sur matériaux massifs que couches minces. Nous avons mesuré une polarisation sur composés massifs du même ordre de grandeur que celle précédemment déterminée par calculs ab initio. Une considérable réduction des courants de fuite habituellement observés en couches minces a été possible grâce à la substitution de Fe2+ par Mg2+. Une polarisation réversible et un effet magnétoélectrique ont alors pu être mis en évidence. Compte tenu du caractère ferrimagnétique à température ambiante des couches minces considérées, ceci constitue la première manifestation d'un matériau multiferroïque et magnétoélectrique à réel intérêt applicatif.

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Le but de ce travail de thèse est de réaliser des vannes de spin " naturelles " constituées d'un matériau unique. Le matériau en question doit contenir une alternance de feuillets magnétiques et non magnétiques et présenter différents états magnétiques. Ce système modèle ne présenterait alors ni d'inter diffusion ni de rugosité aux interfaces magnétiques/non-magnétiques et pourrait constituer un système modèle pour les études des phénomènes de transport dépendant de spin. Le CoV2O6 est un oxyde polymorphe de basse dimensionnalité. Les deux phases (α et γ) présentent chacune plusieurs plateaux d'aimantation induits par un champ magnétique. Le premier objectif est de comprendre la structure cristalline et magnétique de ce composé, ce qui a été réalisé par des mesures d'aimantation, de diffraction des rayons X et de neutrons sur des poudres et monocristaux. Les résultats de la phase α sont appuyés par des calculs ab initio. Le second objectif est de déposer ce matériau en couche mince afin d'analyser ses propriétés de transport. Des films épitaxiés de γ CoV2O6 ont été obtenus sur TiO2(100) et TiO2/Pt(111) par ablation laser. Le dépôt sur l'électrode de Pt montre la présence de six variants entrainant l'observation de plateaux d'aimantation supplémentaires.

Afin d'améliorer les performances électrochimiques de cellules d'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température (EVHT), de nouveaux matériaux d'électrode à oxygène de typeLn2NiO4+δ (Ln = La, Pr ou Nd), Pr4Ni3O10±δ et La0,6Sr0,4Fe0,8Co0,2O3-δ ont été étudiés. Ces composés ont été sélectionnés pour leurs propriétés de conduction mixte électronique et ionique. Après la caractérisation de leurs propriétés physico-chimiques, les matériaux ont été mis en forme au sein de demi-cellules symétriques, en intercalant une couche d'interface fine à base de cérine entre l'électrode et l'électrolyte de zircone yttriée. Cette architecture contribue à la diminution de la résistance de polarisation de l'électrode (RP <0,1 Ω.cm2 à 800°C) et de la surtension anodique. Un modèle électrochimique a été développé afin de décrire et d'analyser les courbes de polarisation expérimentales.L'électrode présentant les plus faibles surtensions, Pr2NiO4+δ, a été sélectionnée et caractérisée au sein de cellules complètes à cermet support. En fonctionnement EVHT à800°C, une densité de courant élevée a été obtenue, de l'ordre de i = -0,9 A.cm-2 pour une tension de cellule de 1,3V et un taux de conversion d'environ 60%.