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L'utilisation des fibres SiC Tyranno SA3 (TSA3) et Hi Nicalon S (HNS) pour le renforcement de composites céramiques dédiées aux applications nucléaires impose l'étude de leur stabilité microstructurale et de leur comportement mécanique sous irradiation. La cinétique d'amorphisation des fibres a été étudiée et comparée à celle d'un matériau modèle, 6H-SiC monocristallin, sans que des différences significatives puissent être observées. La dose seuil d'amorphisation totale a été évaluée à ~0,4 dpa à température ambiante et aucune amorphisation complète n'a pas être obtenue pour des températures d'irradiation supérieures à 200 ºC. Les échantillons amorphes ont ensuite été recuits thermiquement ce qui a conduit, pour des températures élevées, à leur recristallisation mais également à une fissuration et une délamination de la zone irradiée. Ce processus d'endommagement était activé thermiquement avec une énergie d'activation de 1,05 eV. En ce qui concerne le comportement mécanique, le fluage d'irradiation des fibres TSA3 a été étudié en utilisant une machine de traction in situ implantée sur deux plateformes d'irradiation aux ions. On montre que sous irradiation ces fibres se déforment en fonction du temps avec des chargements thermique et mécanique où le fluage thermique est négligeable. Cette déformation est plus élevée pour les faibles températures d'irradiation en raison d'un couplage entre le gonflement et le fluage d'irradiation. Pour des températures voisines de 1000 ºC, le gonflement devient négligeable ce qui permet l'étude spécifique du fluage d'irradiation dont la vitesse de déformation présente une dépendance linéaire au flux d'ions. / The use of Tyranno SA3 (TSA3) and Hi Nicalon S (HNS) SiC fibers as reinforcement for ceramic composites for nuclear applications requires the characterization of its structural stability and mechanical behavior under irradiation. Ion-amorphization kinetics of these fibers have been studied and compared to the model material, i.e. 6H-SiC single crystals, with no significant differences. For all samples, full amorphization threshold dose yields ~0.4 dpa at room temperature and complete amorphization was not achieved for irradiation temperatures over 200 ºC. Successively, ion-amorphized samples have been thermally annealed. It is reported that thermal annealing at high temperatures not only induces the recrystallization of the ion-amorphized samples but also causes cracking and delamination. Cracking is reported to be a thermally driven phenomenon characterized by activation energy of 1.05 eV. Regarding the mechanical irradiation behavior, irradiation creep of TSA3 fibers has been investigated using a tensile device dedicated to in situ tests coupled to two different ion-irradiation lines. It is reported that ion-irradiation (12 MeV C4+ and 92 MeV Xe23+) induces a time-dependent strain under loads where thermal creep is negligible. In addition, irradiation strain is reported to be higher at low irradiation temperatures due to a coupling between irradiation swelling and irradiation creep. At temperatures near 1000 ºC, irradiation swelling is minimized hence allowing the characterization of the irradiation creep. Irradiation creep rate is characterized by a linear correlation between the ion flux and the strain rate and square root dependence with the applied load.

Cette thèse décrit le développement et l'étude de matériaux à base silicium (Si) dédiés à des applications en photonique comme l'amplification optique ou le laser. Des matrices de SiO2 et de Si3N4 enrichies en Si contenant des ions de terre rare Nd3+ ont été étudiées. Dans ces matrices, les ions Nd3+ bénéficient d'un transfert d'énergie de défauts ou/et de nanoparticules de Si présents dans la matrice hôte. Cela permet une excitation indirecte et efficace des ions Nd3+ sur une large bande spectral UV-VIS. Ainsi, une émission remarquable des ions Nd3+ à 920, 1064, and 1300 nm a été obtenue. Dans le but de développer la couche guidante active d'un guide d'ondes à partir des deux matrices et en choisissant comme figure de mérite l'émission des ions Nd3+, l'optimisation de couches dopées Nd a été menée. La composition a été modifiée en termes d'excès de Si et de taux de Nd par la technique de pulvérisation magnétron. Les deux matrices ont été recuites par un traitement thermique classique ou rapide afin de modifier la microstructure de celles-ci. L'étude des facteurs influençant les mécanismes d'émission et de sensibilisation des ions Nd3+ a été réalisées. Dans la matrice de SiO2 enrichie en Si, plusieurs sensibilisateurs des ions Nd3+, à base de Si, ont été identifiés. Pour la matrice de Si3N4 enrichie en Si, un mécanisme d'excitation des ions Nd3+ dépendant de l'excès de Si a été mis en évidence. Finalement, un guide d'onde à base de SiO2 enrichie en Si dopé Nd3+ a montré un gain net significatif de 0,68 cm-1 (2,95dB.cm-1) à 1064 nm.

Cette thèse a pour but d'étudier le dopage par implantation ionique pour la réalisation des différentes zones dopées des cellules solaires en silicium cristallin (émetteur, champ arrière...). L'avantage de l'implantation ionique, par rapport à la diffusion gazeuse, est de pouvoir contrôler le profil des dopants implantés ainsi que de simplifier les procédés de fabrication des cellules. Deux techniques d'implantation ionique ont été utilisées dans ces travaux, l'implantation classique par faisceau d'ions et l'implantation par immersion plasma. Des dopages au phosphore, au bore et à l'arsenic ont été réalisés par cette technique d'implantation avec une activation par recuit thermique. L'importance de la température de recuit, des doses d'implantation et des couches de passivation sur la qualité électrique des jonctions formées a été mise en évidence. Des jonctions à faible courant de saturation ont pu être obtenues pour les différentes sources dopantes. Ces dopages par implantation ont ensuite été appliqués à la réalisation de cellules solaires en silicium sur substrat de type p (avec un émetteur dopé au phosphore) et sur substrat de type n (avec un émetteur dopé au bore et un champ arrière dopé au phosphore). L'utilisation de l'implantation ionique a permis d'atteindre un rendement de 19,1 % sur les cellules de type p soit un gain de 0,6 %abs par rapport au dopage par diffusion gazeuse, ainsi qu'un rendement de 20,2 % sur les cellules de type n. / This study aims at investigating the use of ion implantation doping for the realization of emitters and back surface fields of silicon solar cells. The benefits of using ion implantation instead of high temperature gaseous diffusion are the possibility to precisely control the dopant concentration profiles as well as to simplify the solar cells fabrication process. Beam line ion implantation and plasma immersion ion implantation techniques have been used and compared during this work. Phosphorus, boron and arsenic have been implanted and activated by thermal annealing to form the various doping layers. The influences of the annealing temperature, of the implantation doses and of the passivation layers on the junction electrical quality have been studied. Low emitter saturation current densities were reached for each dopant. The implanted doped regions were then integrated in p-type silicon solar cell structure (including a phosphorus doped emitter) and in n-type PERT bifacial solar cell structure (including a boron doped emitter and a phosphorus doped back surface field). With the use of ion implantation, efficiency of 19,1 % was reached for the p-type solar cells corresponding to an overall gain of 0,6 %abs as compared to the gaseous diffusion doping, while 20,2 % of efficiency were measured on the n-type bifacial silicon solar cells.

La couche mince d'Oxyde Transparent Conducteur (OTC) utilisée en tant qu'électrode avant pour les cellules photovoltaïques silicium microcristallin est un matériau déterminant pour l'amélioration de leur rendement. Un OTC prometteur est l'oxyde de zinc dopé aluminium ZnO:Al déposé par pulvérisation cathodique magnétron RF. Une première partie du travail de thèse est dédiée à l'étude de l'influence des conditions de dépôt sur la microstructure, les mécanismes de croissance et les propriétés optoélectroniques du ZnO:Al. Nous avons ainsi obtenu un optimum en termes de transparence maximale dans le domaine visible et de résistivité minimale pour un dépôt réalisé à une pression de 0.12 Pa pour une température de 325 °C. Une seconde partie du travail de thèse porte sur l'effet de traitements après-dépôt, recuit thermique ou laser excimère, sur les propriétés du ZnO:Al déposé à température ambiante. L'influence de différentes atmosphères (sous-vide, N2/H2, et pur N2) et températures de recuit (de 400 à 500 °C) a été étudié. L'étape de recuit thermique a permis une amélioration notable des propriétés optoélectroniques de la couche ZnO:Al, jusqu'à une résistivité de 3.5×10-4 Ohm.cm pour une transmittance entre 400 et 1000 nm de 81.2%. L'étape de recuit laser, quant à elle, influe notamment les propriétés morphologiques du matériau. L'étape finale de ce travail de thèse est basée sur l'étude de la texturation chimique, étape ayant pour but la formation d'une morphologie de surface optimale, c'est-à-dire permettant le piégeage optique dans les couches actives silicium microcristallin et ce, sans altérer les qualités électriques de la couche. L'intégration de ces couches minces ZnO:Al en tant qu'électrode avant dans des cellules photovoltaïques PIN à base de silicium microcristallin à été et étudié en détail.

La couche mince d'Oxyde Transparent Conducteur (OTC) utilisée en tant qu'électrode avant pour les cellules photovoltaïques silicium microcristallin est un matériau déterminant pour l'amélioration de leur rendement. Un OTC prometteur est l'oxyde de zinc dopé aluminium ZnO:Al déposé par pulvérisation cathodique magnétron RF. Une première partie du travail de thèse est dédiée à l'étude de l'influence des conditions de dépôt sur la microstructure, les mécanismes de croissance et les propriétés optoélectroniques du ZnO:Al. Nous avons ainsi obtenu un optimum en termes de transparence maximale dans le domaine visible et de résistivité minimale pour un dépôt réalisé à une pression de 0.12 Pa pour une température de 325 °C. Une seconde partie du travail de thèse porte sur l'effet de traitements après-dépôt, recuit thermique ou laser excimère, sur les propriétés du ZnO:Al déposé à température ambiante. L'influence de différentes atmosphères (sous-vide, N2/H2, et pur N2) et températures de recuit (de 400 à 500 °C) a été étudié. L'étape de recuit thermique a permis une amélioration notable des propriétés optoélectroniques de la couche ZnO:Al, jusqu'à une résistivité de 3.5×10-4 Ohm.cm pour une transmittance entre 400 et 1000 nm de 81.2%. L'étape de recuit laser, quant à elle, influe notamment les propriétés morphologiques du matériau. L'étape finale de ce travail de thèse est basée sur l'étude de la texturation chimique, étape ayant pour but la formation d'une morphologie de surface optimale, c'est-à-dire permettant le piégeage optique dans les couches actives silicium microcristallin et ce, sans altérer les qualités électriques de la couche. L'intégration de ces couches minces ZnO:Al en tant qu'électrode avant dans des cellules photovoltaïques PIN à base de silicium microcristallin à été et étudié en détail.

Un système de spectroscopie de réflectance différentielle de surface est adapté sur un bâti de déposition par pulvérisation magnétron afin de suivre in situ et en temps réel les propriétés optiques de films nanocomposites métal:diélectrique. Cette technique permet notamment d'étudier les toutes premières étapes de formation de nanoparticules de métaux nobles dont la réponse optique est dominée par la résonance de plasmon de surface. Cette résonance est sensible à l'environnement des nanoparticules ainsi qu'à leur morphologie et à leur organisation. Pour établir la corrélation entre les propriétés optiques et les nanostructures, des analyses post mortem sont effectuées par microscopie électronique en transmission, en mode balayage, avec un détecteur annulaire champ sombre à grand angle (HAADF-STEM) et par diffusion rayons X aux petits angles obtenue par illumination en incidence rasante (GISAXS). Le suivi in situ de la résonance de plasmon de surface permet d'interpréter les mécanismes de croissance mais aussi les effets de différents traitements classiques - exposition des nanoparticules à des gaz (O2, N2), recuit thermique - ou plus originaux en utilisant certaines possibilités de la machine de dépôt - exposition des nanoparticules à des gaz (O2, N2) partiellement ionisés ou à un plasma d'Ar à basse énergie. Enfin les effets d'un recouvrement par une matrice protectrice de Si3N4 sont également étudiés. La spectroscopie optique in situ est donc une technique qui permet de contrôler toutes les étapes de fabrication de films nanocomposites. Couplée avec des analyses post mortem, elle permet en outre de comprendre les phénomènes mis en jeu à l'échelle nanométrique, et d'en quantifier les cinétiques.

Les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si atteignent un rendement record de 24.7% en laboratoire. La passivation de la surface du c-Si est la clé pour obtenir de hauts rendements. En effet, la brusque discontinuité de la structure cristalline à l'interface amorphe/cristal induit une forte densité de liaisons pendantes créant une grande densité de défauts dans la bande interdite. Ces défauts sont des centres de recombinaison pour les paires électron-trou photogénérées dans le c-Si. Différentes couches diélectriques peuvent être utilisées pour passiver les wafers dopés n et dopés p : (i) le SiO₂ réalisé par croissance thermique, (ii) l’Al₂O₃ déposé par ALD, (iii) le a-SiNₓ:H et l’a-Si:H déposés par PECVD. La couche de passivation la plus polyvalente est a Si:H puisqu’elle peut passiver aussi bien les wafers dopés n que ceux dopés p. De plus sa production est peu coûteuse en énergie car sa croissance est réalisée à une température d’environ 200°C. L’inconvénient de cette couche de passivation est que lorsqu’elle est dopée p elle ne supporte pas des températures supérieures à 200°C, en raison de l’exodiffusion des atomes d’hydrogène qu’elle contient. Cependant, afin d'avoir un bon contact électrique, TCO et électrodes métalliques, il est souhaitable de recuire à plus haute température (entre 300°C et 500°C). Nous avons implanté des ions Argon de façon contrôlée dans des précurseurs de cellules solaires à des énergies comprises entre 1 et 30 keV, pour contrôler la profondeur à laquelle nous créons les défauts. En variant la fluence entre 10¹² Ar.cm⁻² et 10¹⁵ Ar.cm⁻² nous contrôlons la concentration de défauts créés. Nous montrons qu’une implantation à une énergie de 5 keV avec une fluence de 10¹⁵ Ar.cm⁻² n’est pas suffisante pour endommager l’interface a-Si:H/c-Si. La durée de vie effective des porteurs minoritaires mesurée par photoconductance (temps de décroissance de la photoconductivité) passe de 3 ms à 2,9 ms après implantation. En revanche les implantations à 10 keV, 10¹⁴ Ar.cm⁻² ou à 17 keV, 10¹² Ar.cm⁻² sont suffisantes pour dégrader la durée de vie effective de plus de 85%. Suite aux implantations les cellules solaires ont subi des recuits sous atmosphère contrôlée à différentes températures et ce jusqu’à 420°C. Nous avons découvert que le recuit permet de guérir les défauts introduits par l’implantation. Mais surtout, dans certains cas, d’obtenir des durées de vie après implantation et recuit supérieures aux durées de vies initiales. En combinant l’implantation ionique et les recuits, nous conservons de bonnes durées de vies effectives des porteurs de charges (supérieures à 2 ms) même avec des recuits jusqu’à 380°C. Nous avons utilisé une grande variété de techniques telles que la photoconductance, la photoluminescence, l’ellipsométrie spectroscopique, la microscopie électronique en transmission, la Spectroscopie de Masse d’Ions Secondaires, la spectroscopie Raman et l’exodiffusion de l’hydrogène pour caractériser et analyser l’ensemble des résultats et phénomènes physico-chimique intervenant dans la modification des précurseur de cellules solaires. Nous discutons ici de plusieurs effets tels que l’augmentation de la durée de vie et la tenue en température par la conservation de l’hydrogène dans la couche de silicium amorphe et ceci même après les recuits. Cette conservation peut s’expliquer par l’augmentation du nombre de liaisons Si-H au sein du silicium amorphe et par la formation de cavités lors de l’implantation. Durant les recuits l’hydrogène qui diffuse est piégé puis libéré par les cavités et/ou les liaisons pendantes, ce qui limite son exo-diffusion et le rend de nouveau disponible pour la passivation des liaisons pendantes. / A-Si:H/c-Si heterojunction solar cells have reached record efficiencies of 24.7%. The passivation of c-Si is the key to achieve a high-efficiency. Indeed, the abrupt discontinuity in the crystal structure at the amorphous/crystal interface induces a high density of dangling bonds creating a high density of defects in the band gap. These defects act as recombination centers for electron-hole pairs photogenerated in c-Si. Several dielectric layers can be used to passivate n-type and p-type wafers: (i) SiO₂ produced by thermal growth, (ii) Al₂O₃ deposited by ALD, (iii) a-SiNₓ:H and a-Si:H deposited by PECVD. The most versatile passivation layer is a-Si: H because it is effective for both p-type and n-type wafers. In addition, this process has a low thermal budget since the deposition is made at 200°C. The drawback of this passivation layer, in particular when p-type doped, is that it does not withstand temperatures above 200°C. However, in order to have a good electrical contact, TCO and metal electrodes require high temperature annealing (between 300°C and 500°C).We implanted Argon ions in solar cell precursors with energies between 1 and 30 keV, which allows to control the depth to which we are creating defects. By varying the fluence between 10¹² Ar.cm⁻² and 10¹⁵ Ar.cm⁻² we control the concentration of defects. We show that implantation with an energy of 5 keV and a fluence of 10¹⁵ Ar.cm⁻² is not sufficient to damage the a-Si:H/c-Si interface. The effective lifetime of the minority charge carriers, measured using a photoconductance technique (decay time of photoconductivity), decreases only from 3 ms to 2.9 ms after implantation. On the other hand the implantations at 10 keV, 10¹⁴ Ar.cm⁻² or at 17 keV, 10¹² Ar.cm⁻² are sufficient to degrade the effective lifetime by more than 85%.Following implantation the solar cells have been annealed in a controlled atmosphere at different temperatures and this up to 420°C. We show that annealing can heal the implantation defects. Moreover, under certain conditions, we obtain lifetimes after implantation and annealing greater than the initial effective lifetime. Combining ion implantation and annealing leads to robust passivation with effective carrier lifetimes above 2 ms even after annealing our solar cell precursors at 380°C. We used a large variety of techniques such as photoconductance, photoluminescence, spectroscopic ellipsometry, Transmission Electron Microscopy, Secondary Ion Mass Spectrometry, Raman spectroscopy and hydrogen exodiffusion to characterize and analyze the physico-chemical phenomena involved in the modification of solar cells precursors. We discuss here several effects such as the increase of the effective lifetime and the temperature robustness by the preservation of hydrogen in amorphous silicon layer and this even after annealing. This hydrogen preservation can be explained by the increase of the number of Si–H bonds in amorphous silicon and the formation of cavities during implantation. In the course of annealing the hydrogen which diffuses is trapped and then released by cavities and dangling bonds, which limits its exodiffusion and makes it available for dangling bonds passivation.

Ce mémoire présente les efforts effectués pour réduire l'angle de perte de couches de pentoxyde de tantale amorphes telles qu'utilisées pour les miroirs de LIGO. Afin d'améliorer le niveau de relaxation des couches, celles-ci ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron à des températures allant de 50 °C à 480 °C, elles ont subi un recuit thermique rapide, elles ont été implantées par des ions d'oxygène, elles ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron en appliquant une tension de polarisation sur le substrat lors du dépôt allant de 0 V à -450 V et elles ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance dans le cadre de différentes expériences. L'angle de perte, l'épaisseur, la rugosité, l'indice de réfraction, la composition atomique, la contrainte, l'état de relaxation et le module de Young des couches ont par la suite été trouvés à l'aide de l'ellipsométrie spectralement résolue, la spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford, la détection des reculs élastiques, la spectroscopie Raman, la diffraction de rayons X et la nano-indentation. Il a été trouvé que la température de dépôt améliorait légèrement le degré de relaxation des couches jusqu'à 250 °C, mais qu'elle avait peu d'impact après recuit. Aussi, lors de dépôt à température de la pièce, une forte tension de polarisation réduit l'angle de perte, mais cet effet est encore une fois perdu suite au recuit. Les autres méthodes mentionnées ci-dessus n'ont pas influencé le degré de relaxation des couches selon l'angle de perte, la spectroscopie Raman et la diffraction de rayons X. Cette recherche a été réalisée avec le support financier du CRSNG et du FRQNT (numéro de dossier 206976). / This master's thesis presents the experiments made to reduce the loss angle of tantala coatings similar to those used in LIGO. To improve the relxation level of the coatings they were deposited by magnetron sputtering at temperatures varying from 50 °C to 480 °C. They were also subjected to rapid thermal annealing, and oxygen implantation. In another experiment, the coatings were deposited by magnetron sputtering with substrate biasing varying from 0 V to -450 V at room temperature and at 250 °C. Finally, the coatings of tantala were deposited by high power impulse magnetron sputtering. The loss angle, thickness, roughness, refractive index, atomic composition, stress, the relaxation state and Young's modulus of the coatings were characterized using spectroscopic ellipsometry, Rutherford backscattering, elastic recoil detection, Raman spectroscopy, X-ray diffraction and nanoindentation. It was found that the deposition temperature improved the loss angle until it reached 250 °C. However, annealing the coatings had a superior impact and the influence of the deposition temperature was not visible after annealing. When was applied a high bias to the susbtrate at room temperature, the obtained coating was slightly more relaxed than when a low bias was applied but this effect is, once again, insignificant after annealing. The other methods of deposition mentioned did not improve the loss angle or modify the relaxation state found by Raman spectroscopy and X-ray diffraction of the tantala coatings. This research was made with the financial support of the NSERC and of the FRQNT (file number 206976).