Ce travail de thèse a été réalisé au Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (IN2P3) deGrenoble en collaboration avec le groupe Thalès avec pour objectif le développement d’une nouvellegénération de plasmas micro-onde fonctionnant sur une gamme de pression étendue allant de 0,5 mtorrà 10 torr en argon. La travail présenté porte donc en : i) la conception des applicateurs basés sur destronçons de longueur λ/4 faisant office de transformateurs d’impédance entre le générateur et leplasma d’impédance supposée donnée (adaptation d’impédance approchée); ii) la déterminationexpérimentale de l’impédance réelle du plasma (partie réelle et partie imaginaire) par mesure dumodule et de la phase du coefficient de réflexion dans des conditions opératoires définies; iii) leredimensionnement des différents tronçons de l’applicateur par simulation numérique en tenantcompte de l’impédance réelle du plasma; iv) la validation expérimentale de l’adaptation d’impédanceentre générateur et plasma. Les résultats obtenus démontrent clairement qu’il est possible, à fréquencedonnée (2.45 GHz dans le cas présent), de concevoir et de dimensionner une source plasma avec uneefficacité énergétique supérieure à 80% pour des fenêtres en pression (d’au moins une décade)équivalentes à des fenêtres opératoires en termes de paramètres plasma. Ces sources individuelles àabsorption localisée de micro-ondes peuvent être utilisées en nombre pour la réalisation des plasmasuniformes de grandes dimensions par leur distribution selon des réseaux à deux dimensions (sourcesplanes) ou à trois dimensions (volumes de plasma), et donc pour des applications industrielles auxtraitements de surface. / This work was done in the « Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (IN2P3,Grenoble) » during a collaboration with Thales. The aim of the project was the development of a newgeneration of microwave plasma with extended operating conditions in the pressure range 0.5 mtorr to10 torr in argon. The presented work consists of: i) designing applicators based on sections of λ/4length serving as impedance transformers between the generator and the plasma with impedance ofgiven assumed value (approximate impedance adaptation); ii) experimentally determine the realplasma impedance (the real part and the imaginary part) for given operating conditions from themeasurement of modulus and phase of the reflection coefficient S11; iii) resize the different sections ofthe applicator by digital simulation taking the real plasma impedance into account; iv) finally, verifyexperimentally that the impedance adaptation between the generator and the plasma is correct. Theobtained results clearly demonstrate that it is possible, at a given frequency (here 2.45 GHz), to designand size a plasma source with an efficiency greater than 80 % for a window in pressure (at least onedecade) equivalent to an operating window in terms of plasma parameters. These individual sourceswith localized absorption of microwaves can be used in numbers to achieve uniform plasmas via theirdistribution over two-dimensional (planar sources) or tri-dimensional (volume plasma) networks, andthus for industrial surface treatments.

Cette thèse concerne le dépôt de couches minces par la méthode de co-pulvérisation assistée par plasma micro-onde dans le contexte de leurs applications potentielles pour la thermoélectricité. Deux volets principaux ont été développés au cours de ce travail: la synthèse et l'étude des propriétés de couches minces à base de Mg2Si et Mg2(Si,Sn) pour une mise en œuvre au sein de modules thermoélectriques miniaturisés, et l'étude de matériaux susceptibles d’agir comme barrières de diffusion entre un thermoélément à base de Mg2Si et les joints de brasage utilisés pour connecter les contacts électriques. Dans la première partie de l'ouvrage, des couches minces de solutions solides de Mg2(Si,Sn), avec une stœchiométrie proche de Mg2Si0.4Sn0.6, ont été déposées sur différents substrats. Les propriétés thermomécaniques de ces couches ont été étudiées en fonction du processus de dépôt et de la nature du substrat, tandis que la stabilité thermique et la réactivité avec les substrats ont été examinées, ont fonction de la composition, dans le domaine de températures intermédiaires. En outre, les propriétés de transport des couches minces de Mg2Si dopé au Sb ont été caractérisées, en s’intéressant, en particulier, à l’effet de la texturation de la couche mince sur les propriétés thermoélectriques (coefficient Seebeck, conductivité électrique et thermique). La deuxième partie de cette thèse est dédiée au dépôt de couches barrières sur des échantillons massifs de Mg2(Si,Ge) dopés Bi afin de limiter la diffusion et la réactivité entre le thermoélément et le joint de brasage à base d'alliage Al-Si dans le but d’obtenir un contact électrique chimiquement stable et de faible résistance. Deux options ont été étudiées : l'une est basée sur des couches à gradient destinées à ajuster progressivement la composition entre celle du thermoélément et une couche supérieure de Ni qui constitue la barrière de diffusion. L'autre option concerne les bi-couches M/Ni, où M est un métal (Ti, Ta, W ou Cr). Globalement, le travail présenté ici offre un aperçu du potentiel des couches minces à base de Mg2Si et Mg2(Si,Sn) dans la réalisation d'un module thermoélectrique miniaturisé et l'étude de faisabilité de différents matériaux comme barrières de diffusion dans des modules conventionnels. / In this thesis are presented the deposition of thin films by microwave plasma-assisted co­sputtering and their characterization within the context of thermoelectric applications. The aims of the work are split into two categories: the investigation of Mg2Si and Mg2(Si,Sn) thin films in terms of their potential to be implemented in a miniaturized thermoelectric module and the inquiry of materials which may act as diffusion barriers at the interface between Mg2Si-based thermoelements and the brazing joints used in the preparation of electrical contacts. In the first part of the work, thin films of Mg2(Si,Sn) solid solutions with a stoichiometry close to Mg2Si0.4Sn0.6 have been deposited on various substrates. The thermo­mechanical properties of these films have been investigated with respect to their dependence on the deposition process and the nature of the substrate on which they are grown, while the thermal stability and reactivity with the substrates at intermediate temperatures based on their composition has been explored. Furthermore, the transport properties of Sb-doped Mg2Si thin films have been also characterized. This was done in the context of finding the evolution and dependence of the thermoelectric properties (Seebeck coefficient, electrical and thermal conductivities) to the level of texturing within the thin film. The second part of this thesis involves the deposition of diffusion barriers on bulk Bi-doped Mg2(Si,Ge) thermoelements in order to disrupt the diffusion and reactivity between the thermoelectric leg and the Al-Si alloy-based brazing joint and to obtain a chemically stable, low resistive electrical contact. With this objective, two options have been pursued. One is based on the deposition of gradient layers that are meant to gradually inverse the composition from the Mg2(Si,Ge) thermoelements to a top layer of Ni that is used in the deposition of the potential diffusion barrier. The other option concerns the deposition of a M/Ni bi­layer on the TE legs, where M is a metallic layer (Ti, Ta, W or Cr). Overall, the work presented here offers a glimpse of the potential use of Mg2Si and Mg2(Si,Sn) thin films in the making of a miniaturized thermoelectric module and the efficiency of various materials as diffusion barriers in the industry of thermoeletrics.

L'extension d'échelle des procédés plasma fonctionnant à très faibles pressions est l'une des problématiques à résoudre pour leur essor au niveau industriel. Une solution consiste à distribuer uniformément des sources de plasma élémentaires dans lesquelles le plasma est produit par couplage à la résonance cyclotronique électronique (RCE). Ces sources élémentaires sont constituées d'un aimant permanent cylindrique (dipôle magnétique) disposé à l'extrémité d'une structure coaxiale d'amenée des micro-ondes. Bien que conceptuellement simple, l'optimisation de ces sources de plasma dipolaires est complexe. Elle requiert la connaissance, d'une part, des configurations de champ magnétique statique et électrique micro-onde, et, d'autre part, des mécanismes de production du plasma, dans les zones de champ magnétique fort (condition RCE), et des mécanismes de diffusion. Ainsi, une caractérisation expérimentale des domaines de fonctionnement et des paramètres plasma par sonde de Langmuir et par spectroscopie d'émission optique a été menée sur différentes configurations de sources dipolaires. Parallèlement, une première modélisation analytique a permis de calculer des champs magnétiques de configurations simples, le mouvement et la trajectoire des électrons dans ces champs magnétiques, l'accélération des électrons par couplage RCE. Ces résultats ont permis ensuite de valider la modélisation numérique des trajectoires électroniques par une méthode hybride Particle In Cell / Monte-Carlo. L'étude expérimentale a mis en évidence des domaines de fonctionnement pression/puissance très larges, entre 15 et 200 W de puissance micro-onde et depuis 0,5 jusqu'à 15 mTorr dans l'argon. L'étude des paramètres plasma a permis de localiser la zone de couplage RCE près du plan équatorial de l'aimant et de confirmer l'influence de la géométrie de l'aimant sur cette dernière. Ces caractérisations appliquées à un réacteur cylindrique utilisant 48 sources ont montré la possibilité d'atteindre au centre de l'enceinte des densités entre 1011 et 1012 cm-3 pour des pressions d'argon de quelques mTorr. La modélisation des trajectoires électroniques au voisinage des aimants indique un meilleur confinement radial pour des aimants présentant un rapport longueur/diamètre élevé. De plus, cette étude numérique confirme les résultats de l'étude expérimentale, à savoir une zone de couplage RCE près du plan équatorial et non au voisinage de l'extrémité du guide coaxial micro-onde. Enfin, ces résultats ont été appliqués avec succés à la pulvérisation assistée par plasma multi-dipolaire de cibles, permettant en particulier une usure uniforme de ces dernières.

L'objectif de ce travail porte sur la généralisation de la modélisation de la gravure du silicium dans les plasmas de fluor ou de chlore à celle de la gravure des éléments de la colonne IV et des composés III-V de structure cristalline de type diamant ou zinc-blende dans les plasmas d'halogènes, i.e. fluor, chlore, brome et iode. Dans ce contexte, les effets stériques et de diffusion en volume et/ou en surface en constituent les problématiques principales. Cette généralisation s'appuie sur le modèle de gravure de Petit et Pelletier qui, par rapport aux modèles antérieurs, prend en compte un certain nombre d'hypothèses distinctes ou additionnelles telles que les interactions répulsives entre adatomes d'halogènes proches voisins, les mécanismes de Langmuir-Hinshelwood pour la formation des produits de réaction, la nature mono-couche ou multi-couches de l'adsorption, et la diffusion des adatomes en surface. Les effets stériques relatifs à la diffusion des atomes d'halogènes à travers les surfaces (100) des structures cristallines des éléments de la colonne IV et des composés III-V définissent une première loi de similitude entre la maille du réseau cristallin et le rayon ionique de Shannon des atomes d'halogènes concernant leurs conditions de diffusion en volume. Cette loi se traduit par un diagramme prévisionnel, commun aux éléments de la colonne IV et aux composés III-V, délimitant les systèmes de gravure de types mono-couche et multi-couches. Les effets stériques relatifs aux mécanismes réactionnels de gravure sur les surfaces (100) aboutissent à des secondes lois de similitude entre la maille du réseau et le rayon covalent des adatomes d'halogènes caractérisant la nature de la gravure : gravure isotrope, gravure anisotrope, ou absence de gravure. Ces lois de similitude, distinctes pour les éléments de la colonne IV et les composés III-V (stœchiométrie différente des produits de réaction), se traduisent par deux diagrammes prévisionnels délimitant les différents domaines de gravure. Les diagrammes prévisionnels pour les éléments de la colonne IV ont pu être validés, d'une part, à partir des résultats expérimentaux antérieurs, et, d'autre part, en l'absence de données, à partir d'études expérimentales complémentaires : gravure de Si et Ge en plasma de brome et d'iode, gravure de Sn en plasma d'iode. / The objective of this work is the generalization of the modeling of the etching of silicon in fluorine or chlorine plasmas to that of the etching of the elements in column IV and of III-V compounds with diamond-like or zinc-blend crystal structure in halogen plasmas (i.e. fluorine, chlorine, bromine and iodine). In this context, steric effects and volume and/or surface diffusion are the main issues. This generalization is based on the etching model of Petit and Pelletier which, compared to previous models, takes into account a number of separate or additional assumptions such as the repulsive interactions between halogen adatoms in nearest neighbor positions, the Langmuir-Hinshelwood mechanisms for the formation of reaction products, the mono-layer or multi-layer nature of the adsorption, and the diffusion of adatoms on the surface. Steric effects related to the diffusion of halogens through the (100) surfaces of the crystal structures of the elements of column IV and III-V compounds define a first law of similarity between the crystal lattice and the Shannon ionic radius of the halogen atoms concerning their bulk diffusion conditions. This law results in a forecast diagram, common to column IV elements and III-V compounds, delimiting the mono-layer or multi-layer type of the etching systems. Steric effects related to the reaction mechanisms of etching on (100) surfaces lead to the second laws of similarity between the crystal lattice and the covalent radius of halogen adatoms characterizing the etching behavior: isotropic etching, anisotropic etching or no etching. These laws of similarity, distinct between the elements of the column IV and III-V compounds (different stoichiometry of the reaction products), result in two forecast diagrams delimiting the distinct etching domains. Forecast diagrams for column IV elements have been validated, first, from previous experimental results, and, secondly, in the absence of data, from additional experimental studies: etching of Si and Ge in bromine and iodine plasmas, and etching of Sn in iodine plasmas.

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Une sonde électrostatique de Langmuir cylindrique a été utilisée pour caractériser une post-décharge d’un plasma d’ondes de surface de N2-O2 par la mesure de la densité des ions et électrons ainsi que la température des électrons dérivée de la fonction de distribution en énergie des électrons (EEDF). Une densité maximale des électrons au centre de la early afterglow de l’ordre de 1013 m-3 a été déterminée, alors que celle-ci a chuté à 1011 m-3 au début de la late afterglow. Tout au long du profil de la post-décharge, une densité des ions supérieure à celle des électrons indique la présence d’un milieu non macroscopiquement neutre. La post-décharge est caractérisée par une EEDF quasi maxwellienne avec une température des électrons de 0.5±0.1 eV, alors qu’elle grimpe à 1.1 ±0.2 eV dans la early afterglow due à la contribution des collisions vibrationnelles-électroniques (V-E) particulièrement importantes. L’ajout d’O2 dans la décharge principale entraîne un rehaussement des espèces chargées et de la température des électrons suivi d’une chute avec l’augmentation de la concentration d’O2. Le changement de la composition électrique de la post-décharge par la création de NO+ au détriment des ions N2+ est à l’origine du phénomène. Le recours à cette post-décharge de N2 pour la modification des propriétés d’émission optique de nanofils purs de GaN et avec des inclusions d’InGaN a été étudié par photoluminescence (PL). Bien que l’émission provenant des nanofils de GaN et de la matrice de GaN recouvrant les inclusions diminue suite à la création de sites de recombinaison non radiatifs, celle provenant des inclusions d’InGaN augmente fortement. Des mesures de PL par excitation indiquent que cet effet n’est pas attribuable à un changement de l’absorption de la surface de GaN. Ceci suggère un recuit dynamique induit par la désexcitation des métastables de N2 suite à leur collision à la surface des nanofils et la possibilité de passiver les défauts de surface tels que des lacunes d’azote par l’action d’atomes de N2 réactifs provenant de la post-décharge. L’incorporation d’O2 induit les mêmes effets en plus d’un décalage vers le rouge de la bande d’émission des inclusions, suggérant l’action des espèces d’O2 au sein même des nanostructures. / A cylindrical electrostatic Langmuir probe was used to characterize the flowing afterglow of a N2-O2 surface wave plasma. The spatial distribution of the number density of positive and electrons as well as the EEDF were measured. A maximum of the number density of electrons in the mid 1013 m-3 was obtained in the center of the early afterglow, while it decreased at 1011 m-3 early in the late afterglow, thus indicating non-macroscopically neutral media all along the flowing afterglow. It is characterized by an EEDF close to a Maxwellian with an electron temperature of 0.5±0.1 eV, while it increased at 1.1±0.2 eV in the early afterglow due to the contribution of important vibration-electron collisions. After addition of small amounts of O2 in the main N2 microwave discharge, the charged particles densities and electron temperature first strongly increased then decreased with increasing O2 concentration. A change in the charged population in the afterglow by the creation of NO+ to the detriment of the N2+ ions is responsible of this phenomenon. This N2 flowing afterglow was later used for plasma-induced modification of pure GaN nanowires and InGaN/GaN dot-in-a-wire heterostructures and characterized by PL. While the band edge emission from GaN nanowires and the GaN matrix of the InGaN/GaN nanowires strongly decreased due to the creation of non-radiative recombination centers in the near-surface region, the emission from the InGaN inclusions strongly increased. PL excitation measurements show that this increase cannot be explained by a plasma-induced shift of the GaN absorption edge. Instead a dynamical annealing process induced by the desexcitation of N2 metastables following their collision with the nanowire surface and the passivation of surface defects such as nitrogen vacancies by the highly reactive nitrogen atoms in the afterglow are responsible of the increase of the PL intensity. The addition of O2 gives the same results as the pure N2 treatment, but a redshift of the emission band related to the InGaN inclusions is also observed, suggesting an important contribution of the oxygen species.

Le présent mémoire de maîtrise a pour but de jeter les bases sur la physique des plasmas micro-ondes en régime pulsé dans l’argon à la pression atmosphérique. Pour cela, nous avons utilisé une photodiode nous permettant d’acquérir l’émission globale du plasma pour différentes positions du tube où celui-ci détient trois types d’évolutions. La partie croissante, où nous avons observé un retard d’allumage du plasma qui augmente en s’éloignant de l’excitateur. Nous l’avons estimé en dérivant l’émission du plasma afin d’en obtenir ensuite une vitesse de front d’ionisation. Cette méthode de dérivée nous a permis également de constater que l’émission plasma détient un comportement exponentiel en croissance d’émission où nous avons pu en extraire des coefficients homogènes à des fréquences pour chacune des positions. Nous en avons ensuite interprété sous l’appui d’une mise en équation de l’émission plasma que la partie croissante est fortement sensible en début d’ignition, au chauffage des électrons Te(t) et à la multiplication électronique ne(t) puis tardivement au chauffage du gaz Tg(t). Ensuite, la partie stationnaire, pour laquelle nous avons remarqué que la densité électronique ne(z) est fortement dépendante de l’émission intégrée le long du tube. En parallèle, nous avons eu recours à la spectroscopie d’émission optique afin d’en déterminer Tg(z) où nous avons constaté que celui-ci est sensible au rapport cyclique. Enfin, la partie décroissante, où nous avons constaté un pic d’émission plasma au moment de l’extinction du plasma où nous avons supposé qu’il fût associé à la recombinaison radiative des dimères de l’argon Ar2+ avec les électrons. De même que pour la phase d’allumage, la dérivée et la mise en équation de l’émission plasma, nous a permis d’interpréter qu’après l’extinction du plasma, nous avons en première partie Te(t) et ne(t) qui contribuent fortement pour ensuite se terminer sur une décroissance exponentielle lente que nous avons associée à Tg(t). / The present master thesis aims to develop the foundations for the physics of pulsed microwave plasmas in argon at atmospheric pressure. For this, we used a photodiode allowing us to acquire the global plasma emission for different positions of the tube where it has three types of evolution. The increasing part, where we observed a plasma ignition delay which increases away from the exciter. We estimated it by deriving the emission from the plasma in order to then obtain an ionization front velocity. This derivative method also allowed us to see that the plasma emission has an exponential behavior in emission growth where we were able to extract homogeneous coefficients at frequencies for each of the positions. We then interpreted, with the support of an equation of the plasma emission, that the increasing part is highly sensitive at the start of ignition, to the heating of the electrons Te(t) and to the electronic multiplication ne(t) then later on heating the gas Tg(t). Then, the stationary part, for which we noticed that the electron density ne(z) is strongly dependent on the emission integrated along the tube. In parallel, we used optical emission spectroscopy to determine Tg(z) where we found that it is sensitive to the duty cycle. Finally, the decreasing part, where we observed a peak of plasma emission at the time of the extinction of the plasma where we supposed it to be associated to the radiative recombination of the dimers of argon Ar2+ with electrons. As for the ignition phase, the derivative and the equation of the plasma emission allowed us to interpret that after the extinction of the plasma, we have in the first part Te(t) and ne(t) which contribute strongly, and then end in a slow exponential decay that we have associated with Tg(t).