Les mémoires à pont conducteur (CBRAM) sont une option actuellement étudiée pour la prochaine génération de mémoires non volatiles. Le stockage des données est basé sur la commutation de la résistivité entre les états de résistance élevée (HRS) et faible (LRS). Sous polarisation électrique, on suppose qu'un trajet conducteur est créé par la diffusion des ions de l'électrode active dans l'électrolyte solide. Récemment, une attention particulière a été portée sur les dispositifs contenant un élément semi-conducteur tel que le tellure, fonctionnant avec des courants réduits et présentant moins de défaillances de rétention. Dans ces « subquantum CBRAMs », le filament est censé contenir du tellure, ce qui donne une conductance de 1 atome (G₁atom) significativement réduite par rapport aux CBRAMs standard et permettant ainsi un fonctionnement à faible puissance. Dans cette thèse, nous utilisons la spectroscopie de photoélectrons par rayons X (XPS) pour étudier les réactions électrochimiques impliquées dans le mécanisme de commutation des CBRAMs à base de Al₂O ₃ avec des alliages ZrTe et TiTe comme électrode active. Deux méthodes sont utilisées: i) spectroscopie de photoélectrons par rayons X de haute énergie non destructive (HAXPES) pour étudier les interfaces critiques entre l'électrolyte (Al₂O ₃ ) et les électrodes supérieure et inférieure et ii) les faisceaux d'ions à agrégats gazeux (GCIB), une technique de pulvérisation qui conduit à une dégradation plus faible de la structure, avec un profilage en profondeur XPS pour évaluer les distributions des éléments en profondeur. Des mesures ToF-SIMS sont également effectuées pour obtenir des informations complémentaires sur la répartition en profondeur des éléments. Le but de cette thèse est de clarifier le mécanisme de changement de résistance et de comprendre les changements chimiques aux deux interfaces impliquées dans le processus de « forming » sous polarisation positive et négative ainsi que le mécanisme de « reset ». Pour cela, nous avons effectué une comparaison entre le dispositif vierge avec un état formé, i.e. l'échantillon après la première transition entre HRS et LRS et un état reset, i.e. l'échantillon après la première transition entre LRS et HRS.L'analyse du « forming » positif pour les dispositifs ZrTe / Al₂O ₃ a montré une libération de Te liée à l’oxydation de Zr due au piégeage de l'oxygène de l'Al₂O ₃ sous l’effet du champ électrique. D'autre part, pour les dispositifs TiTe / Al₂O ₃, la présence d'une couche importante d'oxyde de titane à l'interface avec l'électrolyte a provoqué une dégradation permanente de la cellule en polarisation positive. Pour le « forming » négatif, nos résultats montrent un mécanisme hybride, à savoir une combinaison de formation de lacunes d'oxygène dans l'oxyde provoquée par la migration de O2- entraîné par le champ électrique vers l'électrode inférieure et la libération de tellure pour former des filaments conducteurs. De plus, les résultats obtenus par profilométrie XPS et ToF-SIMS ont indiqué une possible diffusion de Te dans la couche d'Al₂O ₃. Lors du « reset », il y a une recombinaison partielle des ions oxygène avec les lacunes d'oxygène près de l'interface TiTe / AlAl₂O ₃ avec une perte de Te. Un mécanisme hybride a également été observé sur les dispositifs ZrTe / Al₂O ₃ pendant le « forming » négatif. En tenant compte du rôle important de la migration d'oxygène dans la formation / dissolution des filaments, nous discutons également des résultats obtenus par XPS avec polarisation électrique in- situ (sous ultravide) pour mieux comprendre le rôle de l'oxydation de surface et des interfaces dans la commutation résistive. / Conducting bridging resistive random accessmemories (CBRAMs) are one option currently investigated for the next generation of non volatile memories. Data storage is based on switching the resistivity between high (HRS) and low (LRS) resistance states. Under electrical bias,a conductive path is assumed to be created by ions diffusion from the active electrode into the solid electrolyte. Recently, special attention has been drawn to devices containing an elemental semiconductor such as tellurium, operating with reduced currents and less retention failures. In these subquantum CBRAM cells, the filament is thought to contain tellurium , yielding a 1-atomconductance (G₁atom) significantly reduced compared to standard CBRAMs and thus allowing low power operation. In this thesis, we use X-rayphotoelectron spectroscopy (XPS) to learn about electrochemical reactions involved in the switching mechanism of Al₂O₃ based CBRAMswith ZrTe and TiTe alloys as active electrode. Two methods are used: i) non-destructive Hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) to investigate the critical interfaces between the electrolyte (Al₂O₃) and the top and bottom electrodes and ii) Gas Cluster Ion Beams (GCIB), a sputtering technique that leads to lower structure degradation, combined with XPS depth profiling to evaluate chemical depth distributions. To FSIMS measurements are also performed to get complementary in-depth chemical information.The aim of this thesis is to clarify the driving mechanism and understand the chemical changes at both interfaces involved in the forming process under positive and negative polarization as well as the mechanism of the reset operation. For that,we performed a comparison between as-grown state, i.e. the pristine device with a formed state,i.e. the sample after the first transition between HRS and LRS, and reset state, i.e. the sample after the first transition between LRS and HRS.Conducting bridging resistive random access memories (CBRAMs) are one option currently investigated for the next generation of non-volatile memories. Data storage is based on switching the resistivity between high (HRS) and low (LRS) resistance states. Under electrical bias,a conductive path is assumed to be created byions diffusion from the active electrode into the solid electrolyte. Recently, special attention has been drawn to devices containing an elemental semiconductor such as tellurium, operating with reduced currents and less retention failures. In these subquantum CBRAM cells, the filament is thought to contain tellurium , yielding a 1-atom conductance (G₁atom) significantly reduced compared to standard CBRAMs and thus allowing low power operation. In this thesis, we use X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to learn about electrochemical reactions involved in the switching mechanism of Al₂O₃ based CBRAMs with ZrTe and TiTe alloys as active electrode. Twomethods are used: i) non-destructive Hard X-rayphotoelectron spectroscopy (HAXPES) toinvestigate the critical interfaces between the electrolyte (Al₂O₃) and the top and bottom electrodes and ii) Gas Cluster Ion Beams (GCIB), a sputtering technique that leads to lower structure degradation, combined with XPS depth profiling to evaluate chemical depth distributions. To FSIMS measurements are also performed to get complementary in-depth chemical information.The aim of this thesis is to clarify the driving mechanism and understand the chemical changes at both interfaces involved in the forming process under positive and negative polarization as well as the mechanism of the reset operation. For that,we performed a comparison between as-grown state, i.e. the pristine device with a formed state,i.e. the sample after the first transition between HRS and LRS, and reset state, i.e. the sample after the first transition between LRS and HRS.

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Semiconductor surfaces coupled to molecular structures derived from organic chemistry form the basis of an emerging class of field-effect devices. In addition to molecular electronics research, these interfaces are developed for a variety of sensor applications in the electronic and optical domains. Of practical interest are self-assembled monolayers (SAMs) comprised of n-alkanethiols [HS(CH[subscript 2])[subscript n]R], which couple to the GaAs(001) surface through S-GaAs covalent bond formation. These SAMs offer potential functionality in terms of the requisite sensor chemistry and the passivation effect such coupling is known to afford. In this thesis, the SAM-GaAs interface is investigated in the context of a photonic biosensor based on photoluminescence (PL) variation. The scope of the work is categorized into three parts: i) the structural and compositional analysis of the surface using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ii) the investigation of electronic properties at the interface under equilibrium conditions using infrared (IR) spectroscopy, the Kelvin probe method, and XPS, and iii) the analysis of the electro-optic response under steady-state photonic excitation, specifically, the surface photovoltage (SPV) and PL intensity. Using a partial overlayer model of angle-resolved XPS spectra in which the component assignments are shown to be quantitatively valid, the coverage fraction of methyl-terminated SAMs is shown to exceed 90%. Notable among the findings are a low-oxide, Ga-rich surface with elemental As present in sub-monolayer quantities consistent with theoretical surface morphologies. Modal analysis of transmission IR spectra show that the SAM molecular order is sufficient to support a Beer-Lambert determination of the IR optical constants, which yields the observation of a SAM-specific absorbance enhancement. By correlation of the IR absorbance with the SAM dipole layer potential, the enhancement mechanism is attributed to the vibrational moments added by the electronic polarizability in the static field of the SAM. Lastly, the surface Fermi level position is determined by XPS and is used to interpret SPV results in terms of a thiol-induced reduction of the surface cross-section for minority carrier-capture. Numerical analysis confirms this result based on the carrier transport theory of PL intensity by means of a reduction of the surface recombination velocity.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre des recherches avancées pour l'élaboration de la grille en silicium amorphe, pour les applications CMOS sub-0,1 µm. Cette étude a été menée sur la plate-forme de gravure du CNET, équipée de différents outils de caractérisation installés in situ. Dans un premier temps, nous avons développé un procédé de gravure à base de HBr/O2 permettant d'assurer une bonne anisotropie de gravure tout en ne générant aucun perçage de l'oxyde de grille très mince (< 2 nm). Au cours de l'optimisation de ce procédé, nous avons observé une augmentation de l'épaisseur de l'oxyde de grille. Grâce à différentes techniques d'analyses, nous avons montré que cette augmentation d'épaisseur est due à une oxydation et une amorphisation partielle du substrat de silicium sous l'oxyde de grille. Le deuxième volet de ce travail a porté sur une étude physico-chimique de la couche de passivation formée sur les flancs de la grille. Cette couche permet d'assurer l'anisotropie de gravure en bloquant toute gravure latérale. Par des analyses XPS, nous avons montré qu'elle se forme dès l'étape de gravure principale. Elle est constituée d'un 'sous' oxyde de silicium bromé. Pendant l'étape de surgravure, cette couche se densifie par substitution du brome par des atomes d'oxygène. Nous avons également montré que sa formation dépend fortement de la chimie utilisée, de l'énergie des ions, de la durée de la surgravure et de la dilution en oxygène. Des observations au microscope électronique à transmission ont révélé que cette couche est plus épaisse au sommet qu'au pied de la grille, favorisant ainsi l'apparition de défaut sous forme d'encoche au pied de la grille, le 'notching'.

Depuis les premiers travaux publiés en 2004, le graphène est obtenu par trois principales techniques, l'exfoliation, le dépôt chimique en phase vapeur et la graphitisation du carbure de silicium. Seules les deux dernières sont adaptées aux technologies standards de la microélectronique. Une autre méthode est étudiée dans ce travail, consistant à faire croître le graphène par épitaxie par jets moléculaires. Le SiC a été utilisé comme substrat du fait du faible désaccord de maille avec le graphène et de sa compatibilité avec les processus technologiques. La croissance de graphène a été obtenue avec succès sur les deux faces du SiC, à partir d'une source de carbone solide. La gamme de température utilisable est restreinte du fait de l'amorphisation ou de la graphitisation. La structure du graphène dépend fortement de la face du SiC considérée, de façon analogue à ce qui est obtenu par graphitisation (plan d'interface riche en C et empilement graphite sur la face Si, absence de couche d'interface et plans tournés et découplés électroniquement sur la face C). Les bandes de valence ont été mesurées en spectroscopie de photoélectrons résolue angulairement, et présentent la dépendance linéaire caractéristique du graphène aux points de Dirac. Cependant, la présence de défauts dans le matériau induit une forte réduction de la mobilité électronique. Cette dernière a été améliorée en réalisant la croissance épitaxiale sous un flux de Si externe, à plus haute température.

De nombreuses opérations d'usinage nécessitent la présence d'un fluide de coupe afin d'en assurer le succès du fait de la sévérité des sollicitations que subit l'outil. Le but de l'étude est d'identifier les performances de divers additifs soufrés dans les huiles entières, de sélectionner parmi eux l'additif soufré le plus efficace pour la coupe des métaux, ainsi que de comprendre leurs mécanismes d'action dans les différentes applications d'usinage. L'objectif de l'étude est donc d'analyser les mécanismes tribochimiques de lubrification mis en jeu dans les procédés d'usinage et d'optimiser la formulation du lubrifiant. L'influence des différents paramètres liés à la coupe est également étudiée afin d'apporter plus de connaissances sur l'action générale des lubrifiants dans le cas de l'usinage moderne.

En raison de leur faible consommation d'énergie, les mémoires non volatiles (MNV) sont En raison de leur faible consommation d'énergie, les mémoires non-volatiles sont particulièrement intéressantes pour l'électronique portative (clé USB, téléphone, ordinateur portable ...). Les mémoires Flash, qui dominent le marché, atteignent leurs limites physiques et doivent être remplacées. L'introduction de nouveaux matériaux et architectures mémoire est proposée. Les mémoires OxRRAM (Oxide Resistive Random Access Memory) sont des candidats potentiels. Il s'agit de structures M-O-M (Métal-Oxyde-Métal). Le stockage de l'information est basé sur la modulation de la résistance de l'oxyde à l'application d'un champ électrique ou d'un courant. Une meilleure compréhension du mécanisme de changement de résistance de ces dispositifs est nécessaire pour contrôler leurs performances. Nous nous intéressons au claquage diélectrique de l'oxyde, qui initie le mécanisme de changement de résistance. Les mesures physico-chimiques à l'échelle nanométrique sont indispensables à sa compréhension et font défaut dans la littérature. Dans cette thèse, nous proposons des mesures physico-chimiques, des mesures électriques et des méthodes de préparation d'échantillon adaptées. Les oxydes de nickel et d'hafnium sont investigués. En plus de la dégradation électrique (chute de résistance), les modifications de ces deux oxydes sont investiguées à trois niveaux : la composition chimique, la morphologie et la structure électronique. Mots-clés : mémoire résistive, mécanisme de changement de résistance, claquage diélectrique, NiO, HfO2, spectroscopie de photoélectrons, microscopie électronique en transmission, microscopie à forme atomique, lacunes d'oxygène.

En raison de leur faible consommation d'énergie, les mémoires non volatiles (MNV) sont En raison de leur faible consommation d'énergie, les mémoires non-volatiles sont particulièrement intéressantes pour l'électronique portative (clé USB, téléphone, ordinateur portable …). Les mémoires Flash, qui dominent le marché, atteignent leurs limites physiques et doivent être remplacées. L'introduction de nouveaux matériaux et architectures mémoire est proposée. Les mémoires OxRRAM (Oxide Resistive Random Access Memory) sont des candidats potentiels. Il s'agit de structures M-O-M (Métal-Oxyde-Métal). Le stockage de l'information est basé sur la modulation de la résistance de l'oxyde à l'application d'un champ électrique ou d'un courant. Une meilleure compréhension du mécanisme de changement de résistance de ces dispositifs est nécessaire pour contrôler leurs performances. Nous nous intéressons au claquage diélectrique de l'oxyde, qui initie le mécanisme de changement de résistance. Les mesures physico-chimiques à l'échelle nanométrique sont indispensables à sa compréhension et font défaut dans la littérature. Dans cette thèse, nous proposons des mesures physico-chimiques, des mesures électriques et des méthodes de préparation d'échantillon adaptées. Les oxydes de nickel et d'hafnium sont investigués. En plus de la dégradation électrique (chute de résistance), les modifications de ces deux oxydes sont investiguées à trois niveaux : la composition chimique, la morphologie et la structure électronique. Mots-clés : mémoire résistive, mécanisme de changement de résistance, claquage diélectrique, NiO, HfO2, spectroscopie de photoélectrons, microscopie électronique en transmission, microscopie à forme atomique, lacunes d'oxygène. / With low energy consumption, non-volatile memories are interesting for portative applications (USB, mobile phone, laptop …). The Flash memory technology is reaching its physical boundaries and needs to be replaced. New materials and architectures are currently investigated. Oxide Resistive Random Access Memory (OxRRAM) is considered as a good candidate. It is based on a M-O-M (Metal-Oxide-Metal) stack. The information is stored using an electric field or a current that modulates the resistance of the oxide. A better understanding of the resistance switching mechanism is required in order to control the performances of the devices. We investigate the dielectric breakdown that activates the resistance switching properties. Physico-chemical characterization at the nanoscale is required. In this work, we propose proper physico-chemical and electrical measurements. Sample preparation is also considered. Nickel and hafnium oxide are investigated. Besides the evolution of the electrical properties, we analyze the oxide modification at three levels : the chemical composition, the morphology and the electronic structure. Keywords : resistive memory, resistance switching mechanism, dielectric breakdown, NiO, HfO2, photoelectron spectroscopy, electronic transmission microscopy, atomic force microscopy, oxygen vacancies.

Le couplage de techniques d’analyse de surface (XPS, LEIS et ToF-SIMS) a permis de caractériser la nature de la phase active sur des catalyseurs à base de Mo en fonction de différents modes de synthèse. Afin d’imiter le mode par voie chimique par imprégnation, des catalyseurs modèles ont été préparés par spin coating. En outre, une nouvelle voie physique, par pulvérisation magnétron, a été explorée pour la synthèse de catalyseurs. Des corrélations entre les données spectroscopiques XPS et LEIS sur les systèmes modèles permettent de déterminer le taux de recouvrement et l’épaisseur des espèces MoOx déposées. L’étude ToF-SIMS permet de confirmer la structure de la phase active : des entités monomériques à faible teneur et polymériques à plus haute teneur en Mo. Enfin, les performances catalytiques des différents systèmes pour l’oxydation ménagée du méthanol sont discutées au regard des caractérisations spectroscopiques. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet CATARR INTERREG IV (Materia Nova, Université de Mons et Université Lille1). / The coupling of surface analysis techniques (XPS, LEIS et ToF-SIMS) allowed to characterize the nature of the active phase on Mo-based catalysts according to different modes of synthesis. To imitate chemical means by impregnation mode, model catalysts we prepared by spin-coating. In addition, a new physical path, by magnetron sputtering, has been explored for the synthesis of catalysts. Correlations between spectroscopic data XPS and LEIS on model systems determine the recovery rate and the structure of the active phase : Mo low content monomeric and high content polymeric entities. Finally, the catalytic performances of the different catalytic systems for the controlled oxidation of methanol are discussed under spectroscopic characterizations. This work has been performed within INTERREG IV CATARR network (Materia Nova, Mons University and Lille1 University).

Des distributions angulaires (PAD) et des spectres (PES) de photoélectrons émis par des agrégats sous l'action des lasers à impulsions femtosecondes linéairement polarisées ou d'une impulsion instantanée sont calculés théoriquement dans un modèle basé sur la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT). Les systèmes finis étudiés sont de petits agrégats de sodium, des chaînes de carbone C_N (N = 3, 5, 7), et le célèbre buckminsterfullerène C_60. Le comportement de l'émission éléctronique est exploré en fonction de la taille, la forme, la structure électronique et ionique ainsi qu'en fonction des paramètres du laser. En outre, des procédures de détermination de la PAD d'un ensemble de molécules ou d'agrégats orientés de façon aléatoire, sont élaborées. Les résultats de la TDDFT sont de plus comparés aux modèles stationnaires et aux données expérimentales. Les méchanismes d'ionisation sont étudiés dans le régime à un photon et à multiphoton.