Th.--Sci. phys.--Nancy--I.N.P.I., 1975.

Thèse doctorat : Dispositifs de l'Electronique Intégrée : Villeurbanne, INSA : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 253-254. Glossaire.

Dans le but d’intégrer des technologies CMOS avec des cellules mémoires, une seule étape de siliciuration de tous les contacts permettrait de diminuer les couts et de faciliter l’intégration. La formation de siliciure simultanément au niveau des sources, drains et grilles avec du NiPt(10 at.%) est nécessaire pour la technologie FD-SOI parce que cette dernière induit des spécifications exigeantes en ce qui concerne la siliciuration. En effet, le siliciure formé avec le procédé Salicide se doit d’être très fin et stable pour contenir le phénomène de diffusion anormale du Ni qui pourrait être à l’origine de fuites de la jonction. De plus, la réduction des dimensions des cellules mémoires nécessite l’incorporation de dopants d’une manière alternative à l’implantation ionique. L’introduction de dopage au phosphore de manière in-situ pendant le dépôt de silicium nécessite la compréhension de l’interaction du siliciure et des dopants. Dans cette étude, différents types de dopage sont étudiés dans des substrats mono et poly-cristallins afin de correspondre aux multiples types de silicium qui sont présents dans les technologies et qui nécessitent une siliciuration. La redistribution du phosphore entraînée par la formation du siliciure est étudiée et discutée à l’aide de caractérisations par sonde atomique tomographique et spectrométrie de masse à ionisation secondaire à temps de vol. De plus, la réaction à l’état solide est étudiée à l’aide de diffraction par rayons-X afin de comprendre l’impact des dopants sur la séquence de phases. Finalement, la redistribution des dopants observée expérimentalement est étayée par des simulations basées sur un modèle par éléments finis / For the purpose of co-integrating the CMOS technology with memory cells, a unique step of silicidation of all the contacts would decrease costs and ease the integration. The simultaneous silicide formation on the source, drain and gate contacts with NiPt(10 at.%) is required for the FD-SOI technology because the latter induces challenging specifications for the silicidation. As a matter of fact, the silicide formed with the Salicide process must be very thin and stable to contain the NiSi piping phenomenon that could lead to junction leakage. Meanwhile, new integration roads and the reduction of the dimensions of the memory cells arise the need of other ways of dopant incorporation as a substitute to ionic implantation. The introduction of phosphorus by in-situ doping during the deposition of silicon requires the understanding of the interaction of silicide and dopants with this configuration. In this study the metallization of phosphorus doped Si is presented. Different doping types are investigated with mono and poly-crystalline substrates in order to match the various silicon layers needing a silicidation and present in the technologies. The phosphorus redistribution occurring during silicide formation is studied and discussed thanks to Atom Probe Tomography and Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry analyses. Moreover, the solid-state reaction is studied thanks to X-Ray diffraction to understand the dopants’ impact on the phase sequence. Finally, the dopant redistribution is analyzed thanks to modeling

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le déploiement constant de nouveaux réseaux de capteurs dans des endroits confinés des turbomachines ou difficilement accessibles nécessite l'apport d'énergie pour alimenter ces capteurs. De nombreuses recherches s'orientent donc sur une alimentation à demeure des capteurs afin de monitorer de nouveaux composants. Une voie possible d'alimentation (à demeure) est l'utilisation de modules thermoélectriques afin de convertir l'énergie thermique issue de la combustion dans les turbines. Parmi les matériaux thermoélectriques utilisables dans ce genre d'applications (au-delà de 700 °C), les siliciures semblent constituer la famille la plus prometteuse. Le sujet de cette thèse est l'étude de siliciures connus pour leurs résistances à l'environnement en température afin de réaliser des modules thermoélectriques pouvant fonctionner à des températures de l'ordre de 700 °C. À cette fin, différents représentants de la famille des siliciures ont été étudiés par calcul ab initio à l'aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Cet outil a permis de calculer leurs propriétés thermoélectriques potentielles et a montré que les deux meilleurs candidats à des applications bon marché étaient les disiliciures de manganèse et de fer. Le calcul a également permis de montrer le caractère métallique de nombreux siliciures ternaires. Les siliciures prometteurs ont été élaborés par frittage et leur vieillissement ainsi que les coefficients de dilatation thermique ont été étudiés. Ces connaissances ont permis de mettre au point des modules thermoélectriques à base de siliciures résistants à 900 °C sous air. Bien que possédant des propriétés thermoélectriques modestes, leur résistance à l'oxydation à haute température permet d'envisager la fabrication de modules thermoélectriques / The constant deployment of new sensors networks in confined areas of turbomachines or difficult to access, requires the input of energy to power these sensors. Many researches are thus focused on a permanent power supply of sensors to monitor new components. One possible way of permanent power supply is the use of thermoelectric modules to convert the thermal energy from combustion into the turbines. Among the thermoelectric materials, silicides seem to be the most promising family for high temperature applications (above 700 °C). The subject of this thesis is the study of silicides known for their high temperature oxidation resistance in order to produce thermoelectric modules that can operate at optimal temperatures around 700 °C. To this end, different representatives of the silicide family have been studied by ab initio calculation using the density functional theory. This tool allowed to calculate their potential thermoelectric properties and showed that the two best candidates for cheap applications were the disilicides of manganese and iron. The calculation also showed the metallic character of many ternary silicides. The promising silicides were developed by sintering method and their aging as well as their coefficients of thermal expansion were studied. This knowledge has made it possible to develop thermoelectric modules based on silicides resistant to 900 °C in air. Although possessing modest thermoelectric properties, their resistance to high temperature oxidation makes it possible to envisage the manufacture of thermoelectric modules

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'amélioration du rendement des turboréacteurs requiert un accroissement de leur température de service. Le développement de nouveaux alliages, issus du système Nb-Si, permet d'envisager des températures de fonctionnement de 200°C supérieures à celles offertes par les superalliages base nickel utilisés actuellement. La première partie de ce manuscrit rappelle les principaux résultats scientifiques ayant menés à la sélection des alliages composites à base de siliciures de niobium (Nbss-Nb5Si3). La microstructure de ces alliages associe une matrice ductile de niobium pouvant solubiliser de nombreux éléments d'addition à une dispersion de siliciures durs et fragiles conférant aux alliages leurs bonnes propriétés en fluage et une meilleure résistance à l'oxydation à haute température. Malheureusement, ces alliages sont caractérisés par une récession rapide du métal associée au développement d'oxydes non protecteurs. L'oxygène réagit rapidement avec le substrat, se dissout dans la solution solide de niobium et y diffuse rapidement. L'effet des éléments Al, Si et Ti a été étudié en considérant à la fois les modifications microstructurales et les propriétés en oxydation lors de ces additions. Bien que ces optimisations de compositions conduisent à une amélioration significative de la résistance à l'oxydation des alliages Nbss-Nb5Si3, certaines nuances souffrent d'une résistance à l'oxydation catastrophique vers 800°C. L'ajout graduel d'étain au sein des alliages permet de modifier foncièrement la microstructure, notamment en initiant le développement d'une phase de type A15-Nb3Sn. A 800°C, l'étain supprime la dissolution de l'oxygène au sein de Nbss responsable du comportement en oxydation catastrophique rencontré par les nuances sans étain. Malgré ces progrès, la résistance à l'oxydation de ces alliages reste insuffisante et le développement de revêtements protecteurs contre l'oxydation a été nécessaire. Dans ce sens deux familles de siliciures Nb3X3CrSi6 et Nb4X4Si7 (X = Fe, Co ou Ni) ont été sélectionnées et leur stabilité thermodynamique ainsi que leur comportement en oxydation ont été évaluées. Ces phases se sont avérées capables de résister à l'oxydation à des températures d'exposition allant jusqu'à 1300°C. Le mécanisme d'oxydation de chacun de ces siliciures a été déterminé. Finalement, le dépôt de ces siliciures à la surface des alliages Nbss-Nb5Si3 via le procédé de pack cémentation s'est révélé possible. Les alliages revêtus par les siliciures choisis présentent des durées de vie pouvant aller jusqu'à 3000 cycles d'oxydation d'une heure à 1100°C / The improvement of the efficiency of turbine engine can be achieved by increasing the working temperature. The development of new alloys based on Nb-Si system allows a jump of 200°C of the operating temperature in comparison to that offered by current nickel based alloys. The first part of this manuscript focuses on the evolutions which have led to the development of niobium silicide in situ composites (Nbss-Nb5Si3). The microstructure of these alloys consists in a ductile niobium matrix where number of alloying elements can solubilise and of strengthening niobium silicides which are intended to provide creep and oxidation resistance at high temperature. Unfortunately, these alloys exhibit a poor oxidation resistance characterised by a high metal recession rate and the formation of non-protective oxide scale. Thus, oxygen can easily react with the substrate, dissolve in Nbss and diffuse quickly through this phase. The effect of Al, Si and Ti additions on both microstructure and oxidation resistance were investigated. Although, these composition optimisations lead to a significant enhance of oxidation resistance, some compositions still suffers from catastrophic oxidation behaviour around 800°C. In these alloys tin additions involve high microstructural changes, especially by initiating the formation of A15- Nb3Sn phase. At 800°C, Sn additions suppress oxygen dissolution in Nbss responsible of the catastrophic oxidation behaviour of these alloys. Nevertheless, the oxidation resistance of these alloys remains too low for the foreseen applications and protective coatings are required. Thermodynamic stability and oxidation resistance of two silicide families (Nb3X3CrSi6 and Nb4X4Si7 (X = Fe, Co or Ni)) were investigated. These silicides have exhibited a high oxidation resistance up to 1300°C by the formation of a protective silica layer. Finally, these silicides were deposited on Nbss-Nb5Si3 substrate by using the pack cementation process. Some coated alloys have then exhibited lifetime going up to 3000 one hour cycle at 1100°C

Les matériaux thermoélectriques en tant que générateurs d’électricité peuvent être utilisés dans de nombreux domaines tels que la conversion de la chaleur perdue des automobiles et des industries, le couplage avec le photovoltaïque, ou la génération de puissance par radioisotopes pour l’exploration spatiale. A ce jour, la plupart des éléments constitutifs des matériaux thermoélectriques proviennent de ressources rares et sont toxiques ce qui peut induire une pollution environnementale. Les siliciures ont montré qu’ils possèdent de bonnes performances thermoélectriques à haute température et n’ont pas les défauts sus mentionnés. Parmi les siliciures, les siliciures de manganèse riches en silicium MnSix, x variant de 1,71 à 1,75, sont particulièrement intéressants pour leurs propriétés thermoélectriques. Ces composés existent sous plusieurs formes tétragonales correspondant à Mn4Si7, Mn11Si19, Mn15Si26 et Mn27Si47. Dans cette thèse nous examinons d’un point de vue expérimental la stabilité de ces phases. L’étude a été réalisée pour des composés massifs et en films minces. La forme Mn4Si7 est celle qui semble être la plus intéressante pour les applications thermoélectriques, nous avons donc exploré différentes voies de synthèse pour ce composé. Des calculs théoriques utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité couplée à la théorie du transport de Boltzmann ont enfin permis de prédire les propriétés thermoélectriques de la forme Mn4Si7 substituée. La finalité de ces calculs est de trouver des substitutions d’atomes conduisant à une amélioration de l’efficacité thermoélectrique de ce composé. / Thermoelectric materials as electric power generators can be used in many fields, such as the conversion of automobile exhausting heat and industrial waste heat, solar photovoltaic-thermoelectric hybrid power generation, or RTG (Radioisotope thermoelectric generator) for deep space exploration. To date, most of the constituent elements of thermoelectric materials are scarce resource and are toxic, resulting in environmental pollution. Silicide materials have shown to exhibit good thermoelectric performances at high temperature without suffering from the aforementioned drawbacks. Among the silicide compounds, silicon-rich silicides MnSix, with x comprised between 1.71 and 1.75, are particularly interesting for their thermoelectric properties. These so-called higher manganese silicides (HMS) exhibit several tetragonal structures that correspond to Mn4Si7, Mn11Si19, Mn15Si26 and Mn27Si47. In this thesis, we examine from an experimental point of view the stability of these compounds. The investigations have been performed on both bulk and thin film materials. Mn4Si7 seems to be the most interesting HMS for thermoelectric applications; hence various synthesis routes have been explored for this compound. Finally, theoretical calculations, based on density-functional theory and Boltzmann’s transport theory, have allowed us to predict the thermoelectric properties of substituted Mn4Si7. The objectives were to find substitutional atoms leading to an improvement of the thermoelectric efficiency of Mn4Si7.

La thermoélectricité est un phénomène physique permettant la conversion directe de l’énergie thermique en énergie électrique, ou inversement. Cependant l’augmentation du rendement des modules thermoélectriques passe par un défi de taille : optimiser les propriétés électroniques du matériau pour obtenir un coefficient Seebeck élevé et une résistivité électrique faible, tout en minimisant la conductivité thermique. Une des voies d'optimisation consiste à réduire la dimensionnalité des matériaux afin de diminuer la contribution des phonons dans le transport thermique. Les matériaux siliciures sont prometteurs en raison de leur faible toxicité et coût. Parmi eux, le disiliciure de chrome, CrSi2, possède des propriétés de transport électronique intéressantes, mais ses performances sont limitées par une conductivité thermique trop élevée. L’objectif de cette thèse est d’étudier les propriétés thermoélectriques de ce composé sous différentes formes, monocristal, couche mince et nanofil. Dans ce but, le disiliciure de chrome a été élaboré sous formes de monocristal par la méthode Bridgman, de couche mince par pulvérisation cathodique, et de nanofil par dépôt chimique en phase vapeur. Ces différentes techniques d'élaboration ont été associées à des techniques de caractérisation spécifiques à chacune de ces formes afin d'étudier la relation entre les propriétés physiques et la microstructure du matériau. En couplant des modèles théoriques aux mesures thermoélectriques, les mécanismes de transport électronique et thermique ont été mis en évidence. L’étude de dynamique du réseau a été complétée par la première mesure de diffusion inélastique des neutrons sur monocristal et sur poudre nanométrique de CrSi2. Dans le cas des couches minces, l'effet de l'état de cristallinité et de l'épaisseur a été étudié. Enfin, dans le cas des nanofils, un microdispositif de mesure des propriétés thermoélectriques sur nanofil isolé a été conçu. L’ensemble des résultats présentés ouvre des perspectives intéressantes pour aborder l’amélioration des propriétés thermoélectriques de CrSi2. / Thermoelectricity is a physical effect related to the direct conversion between thermal and electrical energy. To improve the thermoelectric efficiency, the electronic properties of the materials must be optimized to get a large Seebeck coefficient and a low electrical resistivity while lowering the thermal conductivity. One of the optimization ways is to reduce the dimensionality of the materials to decrease the phonon contribution to the thermal conductivity. Silicides are promising materials because of their low toxicity and cost. Among them, chromium disilicide, CrSi2, shows interesting electronic transport properties, but a too high thermal conductivity, limiting its performance. The objective of this thesis is to study the thermoelectric properties of this compound with various forms, single crystal, thin film and nanowire.For this purpose, the chromium disilicide was elaborated in the forms of single crystal by the Bridgman method, thin film by sputtering, and nanowires by chemical vapor deposition. These elaboration routes have been associated with characterization techniques specific to each form in order to study the relationship between the physical properties and the microstructure of the material. By coupling theoretical models with thermoelectric measurements, the mechanisms of electronic and thermal transports have been determined. The vibrational study was completed by the first inelastic neutron scattering measurement on CrSi2 single crystal and nano-powder. In the case of thin films, the effect of the crystallinity state and the thickness has been studied. Finally, in the case of nanowires, a micro-device has been designed to measure the properties of a single nanowire. The presented results open interesting perspectives to improve the thermoelectric properties of CrSi2.

L’usage de l’alliage de vanadium V-4Cr-4Ti comme matériau de gainage du combustible dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na) représente un intérêt tout à fait particulier de par ses propriétés physico-chimiques attractives à savoir : une bonne compatibilité avec le sodium liquide, une transparence neutronique élevée et de bonnes propriétés mécaniques sous irradiation. Toutefois, la dissolution de l’oxygène dans le vanadium conduit à son durcissement de manière considérable et rend, par conséquence, son utilisation conditionnée par l’utilisation de protection externe moyennant des revêtements faisant office de barrière de diffusion à l’oxygène présent dans le sodium liquide à hauteur de quelques ppm. Au cours de ce travail, des revêtements diffusionnels à base siliciures binaires et ternaires sont élaborés essentiellement par cémentation activée en caisse. Leur capacité à protéger le substrat dans des milieux simulant les conditions d’un RNR-Na, caractérisés par un faible potentiel oxydant de O2, est avérée suite à des tests d’oxydation sous hélium impur à 650°C et de corrosion dans le sodium liquide à 550°C (test CorroNa au CEA de Saclay). D’autres tests d’oxydation sous air (cycliques, isothermes et fluage-flexion 3 points) ont montré la bonne résistance des revêtements à des températures au-delà de 900°C grâce à la formation d’une couche protectrice de SiO2, adhérente et compacte. Un autre volet de ce travail a permis d’aborder la stabilité microstructural du système gaine/revêtement dans les conditions accidentelles. Ceci a nécessité le calcul des coefficients d’interdiffusion en s’appuyant parallèlement sur les modèles de croissance multicouche de Wagner et de consommation mutuelle de Buscaglia. En dernier lieu, la coupe isotherme à 1200°C et la projection liquidus du système V-Cr-Si sont étudiés. Cette étape, préliminaire à l’étude du système quaternaire V-Cr-Ti-Si, doit permettre en perspective l’optimisation de l’architecture du revêtement et aider à la compréhension des mécanismes d’oxydation / The use of vanadium alloy V-4Cr-4Ti as fuel cladding in the generation IV sodium cooled fast reactor (SFR) is considered with a great interest thanks to its attractive physico-chimicals properties namely: a good compatibility with liquid sodium, a high neutronic transparency,a good mechanical properties even under irradiation. However, the dissolution of oxygen in vanadium leads to its hardening. This behavior imposes, consequently, the use of on external protection as coatings that can be considered as a barrier against oxygen diffusion contained in liquid sodium at very low concentrations (a few ppm). In this work, binary and ternary diffusional silicides coatings are produced mainly by halide activated pack cementation. Their ability to protect the substrate in media simulating a SFR’s conditions, with a low oxidation potential of O2, is proved according to the results of oxidation tests in impure helium at 650 ° C and corrosion in sodium liquid at 550 ° C (CorroNa test at CEA de Saclay). Other air oxidation tests (cyclic, isothermal and creep-bending 3 points) showed good resistance of coatings at temperatures above 900°C due to the formation of a protective layer of SiO2, adherent and compact. In another part of this work, the microstructural stability of the cladding/coating system in accidental conditions is studied. This required the calculation of interdiffusion coefficients using models of multilayer growth as proposed by Wagner and mutual consumption as proposed by Buscaglia. Finally, the isothermal section at 1200 ° C and the liquidus projection of V-Cr-Si system are studied. This step, preliminary to the study of quaternary V-Cr-Ti-Si system, should allow as a perspective the optimization of the architecture of the coating and help to understand the oxidation mechanisms