Ce travail de thèse ce focalise sur la croissance et la caractérisation de Nanofils (NFs) et de Microfils (µFs) de GaN. L'élaboration de telles structures est obtenue par épitaxie en phase vapeur d'organométalliques à partir de deux stratégies de croissances: l'une dite auto-organisée, réalisée sur substrat saphir, l'autre appelée sélective ou localisée, obtenue sur template GaN de polarité Ga. Quelque soit la stratégie employée, nous montrons que la croissance de structures verticales suivant l'axe c requièrent l'utilisation d'un flux de NH3 et d'un rapport V/III faible, lorsque nous les comparons avec les valeurs utilisées pour la réalisation de couches planaires de GaN. Les paramètres et les étapes de croissances ayant une influence sur le rapport d'aspect (hauteur/diamètre) sont étudiées et mises en évidence pour chacune des stratégies employées. Par ailleurs, les mécanismes de croissance ainsi que les propriétés structurales et optiques de ces objets sont caractérisés par MEB, MET, CL et µPL. En particulier, les expériences réalisées sur les µFs auto-organisés permettent d'observer et d'expliquer l'origine de la double polarité, de mettre en lueur la différence d'incorporation de dopants/d'impuretés entre les domaines Ga et N, d'identifier la présence de deux sections de propriétés électriques et optiques différentes, et de révéler la présence de deux types de résonances optiques: des Modes de galerie et des Modes de Fabry-Perot. D'autres part, nous étudions la courbure des dislocations vers les surfaces libres des NFs localisés et µFs auto-organisés, et pointons la présence de fautes d'empilement basales dans des régions de faibles dimensions. / This work focus on growth and characterization of GaN Nanowires (NWs) and Microwires (µWs). Such structures are obtained by Metal Organic Vapor Phase Epitaxy with two growth strategies: one called self-organized which is realized on sapphire, and the other named selective area growth which is obtained on a GaN Ga-polar template. Whatever the growth strategies employed, vertical growth of structures along the c axis requires the use of a low NH3 flux and V/III ratio, when they are compared with values used for planar growth of GaN. The influence of growth parameters and growth steps on aspect ratio (height/diameter) are studied and highlight for each growth strategies employed. Beside, growth mechanisms and structural and optical properties of such objects are characterized by SEM, TEM, CL and µPL. In particular, experiments realized on self-organized µWs enable us to observe and explain the origin of the double polarity, to highlight the dopants/impurities incorporation difference between Ga and N-domain, to identify two sections with differences in electrical and optical properties, and to reveal the presence of two types of optical resonances, identify as Whispering Gallery Modes and Fabry-Perot Modes. On the other hand, we study the bending of dislocations on free walls of localized NWs and self-organized µWs, and pointed out the presence of basal stacking faults in regions of small dimensions.

Les matériaux (Si)GeSn sont très prometteurs pour les composants optiques sur puce fonctionnant dans le Moyen Infra-Rouge (MIR). Lors de cette thèse de doctorat, j’ai étudié le Dépôt Chimique en Phase Vapeur d’alliages GeSn. L’épitaxie basse température de Ge pur, de Ge dopé phosphore et d’alliages GeSi a tout d’abord été explorée. L’utilisation du digermane (Ge2H6) au lieu du germane (GeH4) nous a permis d’augmenter considérablement la vitesse de croissance du germanium à des températures en dessous de425 °C. Des concentrations très importantes en atome de P électriquement actifs ont été atteintes à 350 °C, 100 Torr en chimie Ge2H6 + PH3 (au maximum 7.5x1019 cm-3). Nous avons par la suite combiné le Ge2H6 avec le disilane (Si2H6) ou le dichlorosilane (SiH2Cl2) afin d’étudier la cinétique de croissance du GeSi à 475 °C, 100 Torr. Des concentrations de Ge définitivement plus élevées (77-82%) et une meilleure qualité de surface ont été obtenues avec le SiH2Cl2. Finalement, la croissance basse température d’alliages GeSn a été étudiée dans notre bâti d’épitaxie industriel 200 mm. Le digermane (Ge2H6) et le tétrachlorure d'étain (SnCl4) ont été utilisés pour explorer la cinétique de croissance et les mécanismes de relaxation des contraintes du GeSn. Une large gamme de concentrations en Sn, i.e. 6-16%, a été sondée et ces points de fonctionnement utilisés pour épitaxier des couches épaisses de GeSn partiellement relaxées. Nous avons ainsi mis en évidence l’intérêt d’utiliser une structure dite en escalier, en termes de qualité cristalline et de morphologie de surface. Un tel empilement, avec 16% de Sn dans sa partie supérieure, a montré une structure de bande directe et a conduit à une émission laser (dans des micro-disques) à une longueur d’onde de 3.1 µm. Ce laser a fonctionné jusqu’à 180 K et a un seuil de 377 kW/cm² à 25K. / (Si)GeSn is very promising for use in Mid Infra-Red (MIR) group-IV optical components on chip. During this PhD, I have studied the Reduced Pressure Chemical Vapor Deposition of GeSn alloys. The very low temperature epitaxy of pure Ge, heavily phosphorous doped Ge and Ge-rich SiGe alloys have first of all been investigated. Using digermane (Ge2H6) instead of germane (GeH4) enabled us to dramatically increase the Ge growth rate at temperatures 425 °C and lower. Very high electrically active P concentrations were obtained at 350 °C, 100 Torr with a Ge2H6 + PH3 chemistry (at most 7.5x1019 cm-3). We have then combined digermane with disilane (Si2H6) or dichlorosilane (SiH2Cl2) in order to study the GeSi growth kinetics at 475 °C, 100 Torr. Definitely higher Ge concentrations (77-82%) and smoother surfaces have been obtained with SiH2Cl2. We have then explored the low temperature epitaxy of high Sn content GeSn alloys in our 200 mm industrial RP-CVD tool. Digermane (Ge2H6) and tin tetrachloride (SnCl4) were used to investigate the GeSn growth kinetics and strain relaxation mechanisms. Large range of Sn concentrations, i.e. in the 6-16% range, was probed and data points used to grow thick, partially relaxed GeSn layers. The benefits of using Step-Graded structures, in terms of crystalline quality and surface morphology, was conclusively demonstrated for thick GeSn layers with high Sn contents. Such a stack, with 16% of Sn in the top part, was direct bandgap and led to a laser operation (in micro-disks) up to 180 K at an emission wavelength of 3.1 µm and with a lasing threshold of 377 kW/cm² at 25K.

Dans ce travail, nous décrivons la méthode de synthèse, la structure, les propriétés et quelques applications en catalyse de différentes formes du carbone, en particulier les nanostructures carbonées (Chapitre I). La technique de dépôt chimique en phase vapeur en réacteur à lit fluidisé a été utilisée pour le dépôt de métaux ou d’oxydes de métaux sur des supports comme l’alumine ou la silice. Le matériau résultant est utilisé comme catalyseur pour la synthèse de diverses nanostructures carbones par dépôt chimique en phase vapeur catalytique : nanotubes de carbone mono- et multi-feuillets (SWCNTs, MWCNTs), nanofibres de carbone (CNFs), et des nanotubes de carbone (N-MWCNTs) ou nanofibres (N-CNFs) dopés en azote (Chapitre II). Après dissolution du catalyseur par un traitement a l'acide sulfurique ou par la soude, suivit dans le cas des MWCNTs et CNFs, par un traitement à l'acide nitrique pour générer des fonctions carboxyliques de surface, les nanostructures carbonées ont été utilisées comme supports de catalyseurs. L’hydrogénation du cinnamaldehyde a été choisit comme réaction modèle pour comparer les performances de différents catalyseurs bimétalliques de Pt-Ru en fonction de la nature du support. Une étude paramétrique détaillée ainsi que l'étude de l'effet d'un traitement thermique sur l'amélioration des performances du catalyseur de Pt-Ru/MWCNT sont présentes. Une explication de l'augmentation des performances catalytiques sera proposée après analyses du catalyseur par HREM, EDX, EXAFS et WAXS (Chapitre III). Les nanostructures carbonées préparées seront également testées comme supports conducteurs d'électrocatalyseurs pour l'élaboration d'électrodes de "polyelectrolyte membrane fuel cells" (PEMFC). / In this work, we describe the synthesis, structure, physical properties and some applications in catalysis of previously known carbon allotropes, and recently discovered carbon nanostructure (Chapter I). First, FB-OM-CVD deposition was used for metal or metal oxide deposition on metal oxide supports like alumina or silica, leading to the production of supported catalysts. The resulting material was used as catalyst for catalytic chemical vapor deposition of carbonaceous nanostructures i.e single- and multi-walled carbon nanotubes (SWCNTs, MWCNTs), carbon nanofibers (CNFs), and nitrogen doped carbon nanotubes (N-MWCNTs) and nanofibers (N-CNFs) (Chapter II). After catalyst removal by a H2SO4 or NaOH treatments and carboxylic surface group generation by a HNO3 treatment in the case of MWCNTs and CNFs, the carbon nanostructures were used as supports for heterogeneous catalysis. The hydrogenation of cinnamaldehyde was used as a model reaction to compare the performance of different bimetallic Pt-Ru catalysts as a function of the nature of the support. Detailed parametric studies as well as the effect of a heat treatment on the performance improvement of the Pt-Ru/MWCNT catalyst are presented. An explanation for the increase of performances upon heat treatment will be proposed after HREM, EDX, EXAFS and WAXS characterization of the catalyst (Chapter III). The prepared carbon nanostructures were also tested as supports for Pd based electrocatalysts for direct alkaline fuel cells applications in both cathodes for the ORR reaction and anodes for alcohols oxidation.

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Les réactions pallado-catalysées permettant la formation de liaisons carbone-carbone trouvent de nombreuses applications en synthèse organique et constituent l’étape clé de la synthèse d’un grand nombre de molécules. La première partie de cette thèse décrit la préparation et l’étude de catalyseurs hétérogènes et réutilisables comportant du palladium supporté sur un polymère portant des groupements phosphinés, polymère dérivé soit d'une résine de Merrifield soit d’une résine Rasta. De très bons résultats ont été obtenus pour leur utilisation dans les couplages croisés de Hiyama, Heck et Suzuki et dans chaque cas la possibilité de réutilisation jusqu’à 4 fois du catalyseur a été vérifiée. Notre travail constitue une des premières utilisations d’un catalyseur réutilisable dans le couplage de Hiyama. Nous avons aussi mis au point des conditions permettant d’effectuer le couplage de Heck en présence d’une quantité infime de palladium. Notre étude sur les résines Rasta constitue la première application de ces supports en pallado-catalyse. La deuxième partie de la thèse décrit l’étude de la préparation de catalyseurs où le palladium serait supporté sur des nanoparticules superparamagnétiques et qui pourraient donc être récupérés de tout milieu réactionnel grâce à un champ magnétique externe. Des nanoparticules de cobalt ont été préparées puis recouvertes de pyrocarbone par dépôt chimique en phase vapeur. Des groupements organiques ont été fixés sur la coque de carbone, ce qui permet l’introduction de ligands phosphinés. La structure de ces particules a été étudiée par microscopie électronique en transmission et leur préparation optimisée en fonction des résultats structuraux. / Palladium-catalyzed reactions forming carbon-carbon bonds have found widespread applications in organic synthesis as they represent the key step of many important syntheses in various domains. The first part of this work describes the preparation and study of heterogeneous, reusable, catalysts containing palladium supported on a polymer bearing phosphino groups derived from either a Merrifield resin or a Rasta resin. Very good results have been obtained for the use of these catalysts in Hiyama, Heck and Suzuki cross-couplings and, in each case, the possibility of reuse of the catalyst at least 4 times has been verified. Our work constitutes one of the first use of a reusable catalyst in a Hiyama coupling. We have also found experimental conditions allowing to run the Heck coupling in the presence of only a minimal amount of palladium. Our work constitutes the first use of Rasta resins to prepare heterogeneous palladium catalysts. The second part of the thesis describes the study of the preparation of catalysts where palladium would be supported on superparamagnetic nanoparticles and which could therefore be recovered from any reaction medium by using a magnetic field. Cobalt nanoparticles were prepared and then covered by pyrocarbon by Chemical Vapor Deposition. Organic groups, allowing the subsequent introduction of phosphino ligands, were then grafted on the carbon shells. The structure of the particles was determined by Transmission Electron Microscopy and their preparation optimized according to these structural results.

Ces dernières années, les exigences de l'industrie dans le développement de nouveaux matériaux fonctionnels en mesure de résister aux conditions difficiles pendant l'opération d'usinage sont en constante augmentation. Les chercheurs doivent donc trouver de nouvelles solutions pour répondre aux besoins industriels de plus en plus sévères. L’utilisation de revêtement protecteur à la surface de l’outil de coupe est une solution très efficace. Des nouveaux matériaux architecturés sont étudiés pour leurs propriétés mécaniques, physiques et chimiques uniques assurant une résistance aux dégradations de surface dues à la corrosion, l'usure, le frottement; en particulier lorsque ces outils sont utilisés dans des environnements hostiles. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, l'influence de la température sur la stabilité structurale de deux types de films minces déposés par PVD a été étudiée. Des films céramiques et de verre métallique ont été envisagés. Afin de préparer et optimiser ces films, le projet s’est axé sur l'étude de l'influence des conditions de dépôt sur les caractéristiques de croissance du film: composition chimique, structure, morphologie, puis sur les changements ultérieurs des principales propriétés des films minces, à savoir la résistance à l’oxydation et à la cristallisation lors de leur utilisation à hautes températures. Une démarche multi-échelle a été développée pour caractériser au mieux les couches. La première partie du travail est liée aux revêtements céramiques à base de CrN pour donner de nouvelles fonctionnalités et améliorer la surface des outils de coupe dans le but essentiel d'accroître leur durée de vie. La seconde partie du manuscrit est dédiée aux films minces de verres métalliques de Zr-Cu préparés par un procédé de co-pulvérisation magnétron PVD. Le but de cette partie consiste en l’étude de la relation entre la structure amorphe de ces films et leurs propriétés mécaniques. La conservation du caractère amorphe de ces films en température présente également un caractère essentiel. Les verres métalliques ont récemment attiré un fort intérêt car ils présentent des propriétés mécaniques intéressantes à température ambiante. Ils présentent, de ce fait, un grand potentiel pour des applications d'ingénierie en raison de leurs caractéristiques mécaniques et physico-chimiques uniques (haute limite élastique, résistance à la corrosion ...). Pour relier les propriétés mécaniques des couches à l’évolution de leurs microstructures, une partie importante de ce travail a porté sur l’observation de l’évolution de la couche au cours du chauffage au moyen de techniques de caractérisation in situ. Les films minces proposés au cours de ce travail peuvent être envisagées pour un large gamme d’application dans l’ingénierie de surface pour protéger les surfaces et améliorer la durée de vie des matériaux. / In the recent years the industrial requirements to develop new functional materials able to overcome the severe conditions during machining operation are continuously increasing. Researchers then must find novel solutions to respond to their severe industrial requirements. To coat the tool surface with advanced coatings is the most efficient solution. New nanostructured materials may nowadays exhibit unique mechanical, physical and chemical properties ensuring notable degradation resistance where the surface protection of materials against corrosion, wear, friction or oxidation is a key issue, particularly when operating in hostile environments. Within the scope of this Ph.D. thesis the influence of the temperature on the structural stability of two different PVD ceramic and metallic glass thin films is proposed. The main goal consists in the development of two distinct classes of thin films, with a wide range of properties. In order to prepare these films, the project will be focused on the study on the influence of PVD deposition conditions in the particular film’s growth characteristics: chemical composition, structure, morphology and the subsequent changes in the main properties of the thin films, namely oxidation and crystallization resistance, especially. For that purpose we adopted the multiscale approach. The first part is related to the ceramic CrN-based coatings to give new functionalities and improve the tools’ surface with the primary aim to increase their lifetime. Secondly, new protective materials able to better protect the exposed surfaces against high temperature oxidation have been proposed, namely CrAlN and CrAlYN coatings as will be evidenced in this manuscript. The second part of the manuscript is dedicated to the innovative Zr-Cu thin films metallic glasses prepared by a PVD magnetron co-sputtering method with the objective to investigate the amorphization ability and their structural properties. Their excellent properties at room temperature have recently attracted attention as a new class of materials with great potential for engineering applications due to unique mechanical and physico-chemical characteristics (high elastic strain limit, corrosion resistance…). Finally, an important approach during the course of this thesis was the real time observation of the structure and surface modifications during heating by means of in situ methods. The thin films proposed during the course of the work could be straightforward used as surface engineering solutions to protect and extend the lifetime of the materials and components.

L'enjeu de cette étude est de concevoir des rubans supraconducteurs à faible coûts de production, destinés au transport de courant et la limitation de courant. Nous avons utilisé des méthodes originales et peu onéreuses comme le laminage pour l'élaboration du substrat et les méthodes de dépôt chimique « metal organic decomposition » (MOD) et « metal organic chemical vapor deposition » (MOCVD) pour la réalisation des différentes couches. <br />La technique MOCVD à injection s'avère particulièrement bien adaptée à la fabrication de rubans supraconducteurs car elle permet d'obtenir des couches épitaxiées d'YBCO de façon reproductible et sur de grandes longueurs. Cependant, le dépôt de couches tampon par MOCVD sur des substrats métalliques souples provoque leur oxydation et dégrade leur structure cristalline. L'utilisation combinée des techniques de dépôt MOD et MOCVD a permis de solutionner ce problème : le dépôt d'une première couche tampon de La2Zr2O7 (LZO) par MOD dans une atmosphère réductrice d'Ar + 5%H2 permet d'éviter l'oxydation du substrat et de limiter la diffusion d'O2 lors des dépôts suivants par MOCVD. Deux architectures ont été développées et caractérisées : NiWRABiTS/LZOMOD/YBCOMOCVD et NiWRABiTS/LZOMOD/CeO2MOCVD/YBCOMOCVD. L'étude de ces conducteurs a prouvé que de telles architectures permettent d'atteindre de forts courants critiques : respectivement JcLZO/LZO/YBCO = 0.8 MA/cm2 avec Ic/cm = 34 A/cm, et JcNW/LZO/CeO2/YBCO = 1.2 MA/cm2 avec Ic/cm = 54 A/cm, sur des rubans de plusieurs centimètres de long recouverts d'une couche de 800 nm d'YBCO. <br />Une étude TEM a permis de comprendre la croissance des couches de LZO par MOD et d'observer la formation de porosités pendant la pyrolyse des précurseurs. L'étude combinée EBSD/MO a démontré que la microstructure des substrats est transférée à la couche supraconductrice et a une influence néfaste sur la qualité du film d'YBCO. L'utilisation de couches tampons épaisses (e > 150 nm) permet d'estomper ces défauts et d'améliorer les propriétés supraconductrices des rubans.<br />Finalement, des essais fructueux en limitation de courant, et en transport de courant sous contrainte mécanique, ont permis de valider le procédé de fabrication des rubans pour cette application spécifique.

Ce mémoire est consacré à la modélisation de l'infiltration chimique en phase vapeur (CVI), procédé utilisé pour la fabrication des composites thermostructuraux et en particulier les carbone-carbone (C/C). Il s'articule autour de deux axes : le premier concerne la mise au point d'un outil de simulation globale du procédé, c'est-à-dire à l'échelle d'un four, et le second la détermination d'un modèle chimique apte à décrire de manière réaliste le dépôt de pyrocarbone et suffisamment simple pour être utilisé dans une simulation globale. La modélisation globale inclut une description mathématique détaillée des phénomènes de transfert de masse (convection et diffusion multicomposant) et de chaleur, des réactions chimiques homogènes et hétérogènes, et des relations d'interface entre les milieux libre (le four) et poreux (la préforme). Un outil de simulation globale a ensuite été développé avec une résolution en couplage faible (milieu libre / milieu poreux). Les potentialités de cette approche quantitative sont mises en valeur à travers une étude de modélisation de la CVI du carbure de silicium, avec variation des paramètres débit de gaz réactif et diamètre de réacteur. Un modèle chimique du dépôt de pyrocarbone à partir du précurseur propane, comprenant deux espèces légères moyennes conduisant au pyrocarbone laminaire lisse et une espèce moyenne plus lourde (HAP) conduisant au pyrocarbone laminaire rugueux, est ensuite proposé. Il reproduit les résultats expérimentaux de dépôt CVD. Pour l'identifier également en CVI, des milieux poreux modèles constitués d'un empilement quasi-compact de filaments ont été élaborés, densifiés et caractérisés. Il a été nécessaire d'affiner le modèle chimique pour que le calcul reproduise ces résultats expérimentaux de CVI. Enfin, la comparaison entre les résultats d'expériences de CVD et CVI acquises dans diverses conditions et le cadre de modélisation a permis de mieux interpréter ceux-ci. Ainsi, l'existence d'un nouveau mode de dépôt de pyrocarbone fortement anisotrope a été confirmée.

La matrice des composites thermostructuraux est obtenue par infiltration chimique en phase vapeur : une préforme placée dans un four est pénétrée par des gaz précurseur qui vont déclencher la formation matricielle par réaction hétérogène. Une modélisation numérique de ce procédé est proposée. Deux programmes furent développés puis validés. Le premier est dédié au calcul des propriétés effectives de la préforme à l'échelle de la fibre tandis que second les exploite propriétés pour accomplir une infiltration macroscopique. Ils s'appuient sur des algorithmes de marche aléatoire et requièrent des images 3D de la préforme. Dans cette optique, plusieurs tomographies de préformes ont été acquises aux deux échelles d'intérêt. Par cette méthode, l'étude des prévisions de densification de composites SiC/SiC a permis de comparer leur infiltrabilité. De plus, l'outil développé, combiné à un modèle chimique, simule l'infiltration de composites C/C et anticipe la microtexture de la matrice déposée.

Les techniques d'élaboration du matériau SiN[x], par LPCVD à partir du mélange disilane/ammoniac et par RTCVD à partir du mélange silane/ammoniac, ont été étudiées. L'obtention de films de stoechiométrie SiN[x] quelconque, uniformes en épaisseur et en composition, a ainsi été démontrée et un nouveau matériau, le silicium dopé azote baptisé NIDOS a été mis en évidence. L'étude de l'oxydation thermique du NIDOS a montré un effet de ralentissement de l'oxydation dû à la teneur en azote du film. Nous avons mis en évidence l'interférence des diffusions des espèces oxydantes et des atomes d'azote au cours de l'oxydation. Nous en avons déduit deux méthodes d'obtention d'oxynitrure SiO[x]N[y]: soit par oxydation thermique du NIDOS, soit par recuit de NIDOS déposé sur une couche d'oxyde enterrée. Nous avons enfin étudié la compatibilité du NIDOS avec les impératifs de la technologie silicium (rugosité, résistivité, propriétés de barrière à la diffusion des dopants), puis nous avons démontré la faisabilité de structures métal/oxynitrure/semi-conducteur utilisant une couche isolante oxynitrurée obtenue par oxydation ou recuit de NIDOS. La caractérisation électrique de ces structures a montré d'excellentes qualités isolantes: des champs électriques de claquage de 20 MV/cm et des charges stockées au claquage de 150C/cm[2] ont été mis en évidence