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.

L'objectif principal de ces travaux est d'étudier les modifications des comportements thermodynamiques en fonction de la taille et de la structure de nanoparticules bimétalliques, en comparaison avec les comportements observés dans les alliages massifs. Autrement dit, c'est l'étude de l'effet de taille finie sur les diagrammes de phases. De façon plus générale, il s'agit d'aboutir à une compréhension fine des moteurs pilotant les phénomènes de ségrégation superficielle à l'aide de la même méthodologie que celle développée dans le cadre des alliages semi-infinis, étude couplée entre simulations numériques et approche de type gaz sur réseau. Un des points clés réside alors dans la prise en compte du couplage entre réarrangements atomiques, locaux (relaxations) ou collectifs (changement de structure), et chimiques (ordre, ségrégation, désordre).

Les phénomènes d'écrantages à l'interface entre un matériau ferroélectrique (FE) et une électrode sont d'une grande importance pour la compréhension fondamentale de la ferroélectricité et pour de potentielles applications comme les mémoires FE. Dans cette thèse, l'utilisation de la photoémission des électrons a permis d'étudier plusieurs types d'écrantage sur des pérovskites FE. En premier lieu, la microscopie de photoémission (PEEM) a révélé la transition d'une phase FE monodomaine à une phase en domaines striées dans des couches ultraminces de BiFeO3. Le PEEM a aussi permis d'étudier quantitativement l'écrantage des surfaces de BaTiO3 par les lacunes d'oxygène. Enfin, la spectroscopie de photoémission (XPS) a permis d'étudier l'influence de la polarisation FE sur les propriétés électroniques d'une interface électrode/BaTiO3 grâce à un dispositif original qui permet de polariser la couche FE in-situ pendant l'acquisition des spectres XPS.

Ce travail porte sur l'étude d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à alignement de bandes de type II, en particulier sous forme de superréseaux. Il s'agit d'un système prometteur pour une application photovoltaïque, et c'est dans cette optique qu'est orienté ce travail. Une première partie traite ainsi d'une réflexion conceptuelle sur l'apport des interfaces de type II au photovoltaïque. La deuxième partie porte sur l'étude de la croissance de CdSe et ZnTe par épitaxie par jets moléculaires, sur différents substrats. Ces matériaux sont particulièrement intéressants et adaptés pour cette application car ils ont un gap direct, quasiment le même paramètre de maille, un alignement de bandes de type II, et le CdSe une bande interdite compatible avec le spectre solaire. De plus une structure basée sur un superréseau très courte période de ces matériaux permet de créer un absorbeur solaire aux propriétés modulables, qui peut s'approcher de l'absorbeur idéal, avec des contacts intrinsèquement adaptés. En contrepartie il s'agit de semiconducteurs binaires qui n'ont aucun atome en commun, de sorte que la croissance d'échantillons avec des épaisseurs précises à la monocouche près constitue un vrai défi. Pour cette raison nous avons procédé à une étude fine des interfaces grâce à des analyses de diffraction de rayons X et de microscopie en transmission, qui nous permet de conclure sur la nature chimique des atomes à proximité des interfaces. Vient ensuite une étude poussée de spectroscopie sur les effets des interfaces de type II sur les porteurs de charges, à travers leur énergie et cinétique de recombinaison. Nous avons développé un modèle analytique qui permet d'ajuster précisément toutes les caractéristiques observées en relation avec ces interfaces, et qui témoigne d'un mécanisme de séparation des charges très efficace. Nous montrons par la suite que ces effets observés sont des caractéristiques intrinsèques de toutes les interfaces de type II, indépendamment des matériaux et des structures, et que ceux-ci nous permettent d'extraire avec précision les valeurs des décalages de bandes entre différents matériaux à alignement de type II. Le dernier chapitre traite finalement du développement de cellules photovoltaïques basées sur les concepts étudiés dans cette thèse. Il aborde notamment les structures de dispositifs envisagées ainsi que nos premiers résultats de rendements de cellules basées sur des hétérostructures de semiconducteurs avec cet alignement de bandes.

La connaissance de la structure est essentielle dans l'interprétation du couplage d'échange qui a lieu à l'interface entre des couches ferromagnétique et antiferromagnétique. Des expériences de diffraction X en incidence rasante sont décrites qui ont permis de déterminer la structure de couches d'alliages a base de Mn, et de couches d'oxyde de cobalt.

Cette thèse est une étude s'inscrivant dans le domaine de la "Spin Caloritronics". Nous avons étudié le transport thermique anisotrope dans les couches minces ferromagnétiques. Le but de cette étude est de déterminer les relations entre le transport thermique et les états d'aimantation de la couche mince ferromagnétique. Nous présentons tous les protocoles expérimentaux qui permettent de faire les mesures de transports électriques et thermiques. Nous présentons également les outils (le modèle, les calculs et la simulation numérique) nécessaires pour analyser finement les résultats de mesure. Le premier objectif est la caractérisation des états d'aimantations des échantillons en utilisant des mesures de magnétorésistance et des mesures d'effets Hall (planaire et anormal). Tous les paramètres permettant de décrire les états d'équilibres magnétiques sont alors déterminés. Nous pouvons ainsi connaître très précisément les états d'aimantation de la couche mince ferromagnétique. Le deuxième objectif est de déterminer la dépendance angulaire du transport thermique anisotrope et de la comparer à celle du transport électrique anisotrope. Pour cela nous remplaçons le courant électrique par un courant de chaleur et effectuons toutes les mesures de tension transverse. Les résultats obtenus montrent que la tension transverse du courant de chaleur a la même dépendance angulaire que la tension transverse obtenue avec un courant électrique.

Ce travail de thèse s'intéresse aux propriétés structurales et optiques de semiconducteurs à grand gap de nitrure d'éléments III (AlxGa1-xN et h-BN), émettant dans l'ultraviolet (4-6 eV). Les propriétés des nano-objets étant modifiées par la réduction de dimensionnalité, un point central de ce travail a consisté à étudier des nanostructures de ces matériaux (nanofils d'AlN et d'AlxGa1-xN, nanotubes et nanofeuillets de BN). Un soin particulier a aussi été apporté à la corrélation à l'échelle nanométrique, entre la structure et la luminescence. Dans un premier temps, les nanofils d'AlxGa1-xN ont été synthétisés par épitaxie par jets moléculaires, sur des nanofils de GaN afin de promouvoir la croissance de nanostructures 1D non coalescées. Nous montrons que le gallium s'incorpore difficilement, aboutissant à des nanofils d'un alliage fortement inhomogène à plusieurs échelles (de l'unité à la centaine de nanomètre). Ces inhomogénéités influencent grandement les propriétés optiques, dominées par des états localisés. L'ensemble des résultats nous a permis de proposer un mécanisme de croissance de ces nanofils. Dans un deuxième temps, les propriétés des nanostructures de BN ont été comparées à celles du matériau massif (le BN hexagonal). Nous montrons que jusqu'à 6 couches les nanofeuillets présentent une luminescence similaire au h-BN. Cela indique une faible influence de la réduction de dimensionnalité dans le h-BN, contrairement aux nanostructures de GaN ou d'AlN. Enfin, nous montrons que les principaux nanotubes étudiés dans ce travail, multiparois, présentent une structure complexe, micro-facettée, et que les défauts sont probablement responsables de la luminescence observée.

Le fort engouement pour les nanostructures luminescentes provient de leurs comportements émissifs originaux et de leur potentiel comme briques élémentaires pour de futurs dispositifs photoniques et optoélectroniques. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au contrôle de la couleur d'émission de nano-systèmes 1D organiques composés de deux types de luminophores. Dans une première partie, une famille peu connue de luminophores nanométriques a été étudiée: les clusters octaédriques de molybdène. Leur comportement photophysique et l'ensemble des fréquences des modes de vibration de l'entité Mo6Br14 ont été déterminés. Les spécificités de ces clusters ont été exploitées au sein de nanofils.Un premier type de nanofil coaxial synthétisé par méthode template a été conçu afin de séparer les deux types de luminophores. Les clusters (dans une matrice de PMMA) et le PPV ont été sélectionnés comme émetteurs rouge et vert respectivement, pour avoir une séparation spectrale. Le contrôle de la couleur sans transfert de charge ou d'énergie entre les deux luminophores a été validé par l'étude du comportement de photoluminescence stationnaire et résolue en temps, en accord avec un modèle phénoménologique. A l'opposé, des nanofils exploitant deux polymères conjugués fluorescents (PFO bleu, F8T2 vert) comme système donneur-accepteur ont été élaborés. Leur mélange ou leur séparation en géométrie cœur-gaine a permis d'explorer une nouvelle voie pour moduler les comportements excitoniques. Ces résultats montrent la versatilité des nanofils à base de polymère pour contrôler à l'échelle nanométrique les comportements d'émission de systèmes multi-luminophores.

Les matériaux III-N sont présents dans la vie quotidienne pour des applications optoélectroniques (diodes électroluminescentes, lasers). Les propriétés remarquables du GaN (grand gap, grand champ de claquage, champ de polarisation élevé, vitesse de saturation des électrons importante...) en font un candidat de choix pour des applications en électronique de puissance à basse fréquence, mais aussi à haute fréquence, par exemple en gamme d'ondes millimétriques. L'enjeu de ce travail de thèse consiste à augmenter la fréquence de travail des transistors tout en maintenant une puissance élevée. Pour cela, des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) sont développées et les épaisseurs de cap et de barrière doivent être réduites, bien que ceci soit au détriment de la puissance délivrée. Une étude sera donc menée sur l'influence des épaisseurs de cap et de barrière ainsi que le type de barrière (AlGaN, AlN et InAlN) de manière à isoler les hétérostructures offrant le meilleur compromis en termes de fréquence et de puissance. De plus, les moyens mis en œuvre pour augmenter la fréquence de travail entrainent une dégradation du confinement des électrons du canal. De manière à limiter cet effet, une back-barrière est insérée sous le canal. Ceci fera l'objet d'une deuxième étude. Enfin, une étude de la passivation de surface des transistors sera menée. La combinaison des ces trois études permettra d'identifier la structure optimale pour délivrer le plus de puissance à haute fréquence (ici à 40 GHz).

L’essor de la demande actuelle pour des matériaux architecturés, en microélectronique par exemple, ou pour des matériaux de structure, nécessite le développement d’outils de caractérisation toujours plus performants. Dans cette optique, un instrument de caractérisation multifonctionnel basé sur un couplage mécanique / électrique, a été développé au laboratoire SIMaP. Le cœur de ce dispositif est un nanoindenteur in situ FEG-SEM (Field Emission Gun Scanning Electron Microscope) couplé à des mesures électriques. Ce travail est porté par trois principales motivations: (1) L’étude du comportement mécanique d’objets petites échelles, (2) L’apport des données électriques à l’analyse quantitative du comportement mécanique pendant l’indentation, en particulier pour obtenir une meilleur estimation de l’aire de contact, (3) L’étude locale des propriétés électroniques d’empilements de films minces. L’intégration in situ SEM a été validée et permet un positionnement des indents avec une précision meilleure que 100 nm, autorisant ainsi l’étude des propriétés mécaniques à l’échelle submicrométrique. La rapidité des essais permet également des mesures statistiques. Des caractérisations mécaniques ont été menées aussi bien sur des échantillons composites massifs que sur des ilots d’or submicrométriques. Pour ce dernier cas, malgré la nature stochastique de leur comportement mécanique, une loi déterministe a pu être extraite des données mécaniques. Des mesures 3D-BCDI (Bragg Coherent Diffraction Imaging) au synchrotron ont été réalisées sur certains ilots avant et après chargement mécanique, révélant une germination de dislocations avant l’avalanche de grandes déformations plastiques. En parallèle de cette étude, des mesures électriques ont été réalisées pendant l’indentation de divers échantillons. Des mesures de nanoindentation résistive ont ainsi été effectuées sur des métaux nobles (Au) ou recouverts de leur oxyde natif (Cu, Al), soit à l’état de monocristal massif ou de film polycristallin. Les résultats quantitatifs soulignent l’importance de la présence d’une couche d’oxyde sur la réponse électrique. En présence d’un oxyde, l’interface pointe / échantillon semble être le lieu d’importantes réactions électrochimiques. En l’absence d’oxyde, la résistance mesurée peut être entièrement décrite par un modèle analytique. Dans ce cas, l’aire de contact électrique peut être prédite à partir des mesures de résistance. Enfin, des mesures capacitives ont été réalisées sur des structures MOS avec différentes épaisseurs d’oxyde. Les résultats expérimentaux sont parfaitement décrits par un modèle analytique, ce qui ouvre la voie à des mesures locales de permittivité diélectrique sous contrainte mécanique. / The increasing demand for multifunctional materials has become a recurrent challenge for a wide panel of application fields such as microelectronics and structural applications. Within the frame of this project, a multifunctional characterisation set-up has been developed at SIMaP lab, mainly based on the electrical / mechanical coupling. The heart of this device is an in situ FEG-SEM (Field Emission Gun Scanning Electron Microscope) nanoindenter coupled with an electrical measurement apparatus. This work has threefold objectives: (1) The investigation of mechanical behavior of small scale systems, (2) The input of electrical data to the quantitative analysis of mechanical behavior during indentation, in particular to obtain a better estimation of the contact area (3) The local study of electronic properties of thin film stacks. SEM integration of the device has been validated and indent positioning with a precision better than 100 nm is successfully obtained. This performance allows the studies of mechanical properties at submicrometric length scale, with a high throughput allowing statistical measurements. Various bulk composite materials have been characterized as well as submicrometric gold islands on sapphire. In the latter case, despite the stochastic nature of their mechanical behavior, a deterministic law has been extracted. 3D-BCDI (Bragg Coherent Diffraction Imaging) experiments have been performed on a few islands at synchrotron facility to investigate the crystal state before and after mechanical loading. These experiments reveal initial dislocation nucleation prior to large deformation bursts. In parallel to this study, electrical measurements have been performed during indentation on various cases. Resistive-nanoindentations have been performed on noble metals (Au) and natively oxidized metals (Cu, Al), either as bulk single crystals or as polycrystalline thin films. Qualitative results emphasize the importance of the oxide layer on the electrical response. In the presence of an oxide layer, strong electrochemical reactions seem to occur at the tip-to-sample interface. When no oxide is involved, the measured resistance can be fully described by an analytical model and the computed electrical contact area is successfully validated with residual areas measurements. Finally, capacitive measurements have been performed on MOS structures with various oxide thicknesses. Experimental results have been well described by analytical modelling, which paves the way for quantitative local dielectric permittivity measurements under mechanical loading.