Les microscopes en champ proche permettent d'obtenir la topographie d'un échantillon avec une résolution pouvant atteindre la résolution atomique. Ces techniques permettent également d'accéder à certaines propriétés locales de la surface telles que le potentiel, l'élasticité, la densité d'états... Ces spectroscopies locales sont de type 'contraste' et ne permettent pas de dresser la cartographie chimique de la surface sans connaissance a priori des éléments qui la composent. Les spectroscopies de rayons-X sont des méthodes de caractérisation puissantes qui permettent de déterminer la composition et la structure élémentaire de l'échantillon avec une précision inférieure à l'Ångström. La résolution latérale est essentiellement limitée par la taille du faisceau primaire, couramment de plusieurs μm². Deux voies sont possibles pour l'améliorer: - réduire l'étendue du faisceau primaire excitateur; - limiter la collecte du rayonnement émis à une portion du volume excité, tout en approchant le détecteur au maximum pour garder un rapport signal/bruit suffisant. C'est cette deuxième option que nous avons choisi de développer. Pour cela nous avons collecté localement la luminescence visible issue de l'échantillon par la pointe-sonde d'un microscope à force de cisaillement, constituée d'une fibre optique effilée de faible ouverture. Cette technique a été utilisée pour caractériser des échantillons semiconducteurs micro- et nano-structurés afin d'en obtenir simultanément la topographie et la cartographie de luminescence locale. Ces résultats ont été obtenus non seulement sur une ligne synchrotron mais également à l'aide d'une microsource de laboratoire équipée d'une lentille polycapillaire. Afin de pouvoir étendre ce concept à d'autres types de matériaux, la faisabilité de la collecte de la fluorescence X locale a été évaluée avec la microsource. Pour cela la fluorescence X émise par un échantillon de cobalt a été collectée par un capillaire cylindrique équipant un détecteur EDX. L'influence du diamètre du capillaire sur le niveau de signal a été mesurée. Une simulation numérique a été développée afin d'estimer le niveau de signal obtenu en utilisant un capillaire de 1 μm de diamètre et d'optimiser la géométrie du système. En couplant la microscopie en champ proche et l'analyse XRF, à la lumière de ces résultats, il sera possible d'atteindre 100 nm de résolution latérale en environnement synchrotron et moins de 1 μm à l'aide d'une source de laboratoire. Il serait alors possible de sélectionner un objet particulier sur une surface et d'en faire l'analyse élémentaire.

La compréhension des propriétés mécaniques de la microstructure des bétons verts est l'un des principaux intérêts de recherche dans l'industrie du ciment et du béton. Ce rapport traite de l'étude de pâtes de ciment ordinaire et d'une pâte de ciment avec ajout de laitier en couplant un à un les réponses chimiques et mécaniques mesurées à l'échelle nanoscopique. Les techniques expérimentales utilisées sont la technique de la nanoindentation ainsi que l'analyse chimique quantitative par microscopie électronique à balayage couplée à un détecteur de rayons X à dispersion d'énergie (MEB-EDS). L'analyse mécanique comprend la mesure d'un coe_cient de relaxation basé sur un approfondissement de la théorie existante de la technique de la nanoindentation. Les résultats comportent une étude déterministe basée sur la chimie, une méthode permettant de déterminer la nature d'une surface indentée à partir des rapports des éléments atomiques mesurés à l'aide du MEB-EDS à cet endroit, et permettant de la lier directement la réponse mecanique mesurée à l'aide de la technique de la nanoindentation. Une étude statistique basée sur l'estimation du maximum de vraisemblance est aussi réalis ée pour déterminer les réponses mécaniques et chimiques des di_érentes phases présentes. On trouve que la majorité des microvolumes d'interaction des expérimentations mécaniques et chimiques est composée de plusieurs phases. Il a également été possible de déterminer les réponses mécaniques du monosulfoalumite et de l'hydrotalcite combiné à du C_S_H, des produits d'hydratation importants de la pâte de ciment avec ajout de laitier. / One of the main interests of the cement and concrete industries is to better understand the mechanical properties of green concrete systems. This report provides a nano-investigation approach with a one-to-one coupling of the mechanical and chemical responses of ordinary cement pastes and a cement paste with an addition of blast furnace slag. This is achieved by using the technique of nanoindentation and a quantitative investigation of the chemistry by using the scanning electron microscopy coupled with the energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS). The mechanical analysis includes the measurement of a relaxation coe_cient, an extension of the already known theory of the nanoindentation technique. The results are implemented with a deterministic analysis of the chemistry, a method allowing the determination of the nature of an indented area from the atomic ratios measured by using the SEM-EDS on this spot, and which can be directly linked to the mechanical responses measured by the nanoindentation tests. A statistical analysis based on the maximum likelihood estimation is also performed in order to identify the mechanical responses of the di_erent chemical phases present. It is found that the most of the microvolumes probed by the mechanical and chemical investigation are heterogeneous composites with intermixing. We could also determine the mechanical properties of monosulfoalumite and hydrotalcite combined with C_S_H, important hydration products of cements with slag additions.

L'électrofilature est un procédé de fabrication utilisant l'énergie électrique pour transformer une solution à base de polymère en fibres d'un diamètre nanométrique. La variation des paramètres expérimentaux est utilisée pour optimiser le diamètre des fibres de polymère et l'ajout de précurseurs métalliques dans la solution permet d'obtenir des fibres de céramique après calcination. Durant ce projet, les montages expérimentaux pour l'électrofilature de fibres de polymère, de céramique et de céramique magnétique ont été fabriqués. Des fibres de polyoxyde d'éthylène (POE) ont été produites et leur diamètre optimisé en modifiant les paramètres expérimentaux. Des fibres d'alumine (AI₂O₃) ont été produites en calcinant des fibres de poly vinyl pyrrolidone (PVP) et d'aluminium 2,4 pentanedionate (C₁₅H₂₁AIO₆). Enfin, des fibres de ferrure de nickel (NiFe₂O₄) et de cobalt (CoFe₂O₄) démontrant des caractéristiques superparamagnétiques ont été produites avec la même méthode de calcination. Les différents échantillons ont été analysés par microscopie électronique par balayage et spectroscopic dispersive en énergie.

Les microscopes en champ proche permettent d'obtenir la topographie d'un échantillon avec une résolution pouvant atteindre la résolution atomique. Les spectroscopies de rayons-X sont des méthodes de caractérisation qui permettent de déterminer la composition et la structure élémentaire de l'échantillon avec une précision inférieure à l'Ångström. Nous avons choisi de coupler ces deux techniques en collectant localement la luminescence visible issue de l'échantillon par la pointe-sonde d'un microscope à force de cisaillement, constituée d'une fibre optique effilée de faible ouverture. Cette technique a été utilisée pour caractériser des échantillons semiconducteurs micro- et nano-structurés afin d'en obtenir simultanément la topographie et la cartographie de luminescence locale. Afin de pouvoir étendre ce concept à d'autres types de matériaux, la faisabilité de la collecte de la fluorescence X locale a été évaluée avec la microsource. Pour cela la fluorescence X émise par un échantillon a été collectée par un capillaire cylindrique équipant un détecteur EDX. L'influence du diamètre du capillaire sur le niveau de signal a été mesurée. Une simulation numérique a été développée afin d'estimer le niveau de signal obtenu en utilisant un capillaire de 1 µm de diamètre et d'optimiser la géométrie du système. En couplant la microscopie en champ proche et l'analyse XRF, à la lumière de ces résultats, il sera possible d'atteindre 100 nm de résolution latérale en environnement synchrotron et moins de 1 µm à l'aide d'une source de laboratoire. Il serait alors possible de sélectionner un objet particulier sur une surface et d'en faire l'analyse élémentaire. / Scanning Probe Microscopes allow to obtain sample topography up to atomic resolution. X-ray spectroscopies allow elemental and structural analysis of a sample with accuracy better than 1 Å. The lateral resolution is limited by the primary beam diameter, currently a few µm². We have chosen to couple this two technics. Local sample visible luminescence is collected through a low aperture sharp optical fibre, probe of a shear force microscope. This technique was used to characterize microstructured semiconducting samples to achieve simultaneously the surface topography and luminescence mapping. The results were obtained using either synchrotron radiation or a laboratory microsource equipped with a polycapillary lens. To extend this concept to a wider variety of materials, local XRF collection by an EDX detector equipped with a cylindrical X-ray capillary was tested. A cobalt sample irradiated with the microsource was used for technique evaluation. The signal magnitude dependence with the capillary diameter was measured. Modelling and numerical calculations were developed to estimate the signal magnitude that could be detected using a 1 µm diameter capillary. The optimal system geometry was determined. Scanning Probe Microscopy combined to XRF analysis could thereby lead to simultaneous acquisition of sample topography and chemical mapping. The expected lateral resolution using synchrotron radiation is 100 nm while sub 1 µm resolution is realistic with a laboratory source. This technique would allow to point a peculiar micro- or nano-object on the surface and to perform its chemical analysis.

L'objet de cette thèse est de présenter une nouvelle mesure de la masse du pion en utilisant la spectroscopie X de l'hydrogène pionique et des résultats de spectroscopie de l'argon et du soufre héliumoïdes. La nouvelle masse du pion a été mesurée avec une précision 30% supérieure à la moyenne mondiale actuelle, c'est-à-dire égale à 1.7 ppm. Elle a été obtenue par spectroscopie de Bragg des transitions 5 -> 4 de l'azote pionique en utilisant les prédictions théoriques de QED. Je présente le calcul de la structure hyperfine et celui de la correction de recul du noyau pour les atomes pioniques au moyen d'une nouvelle méthode de perturbation de l'équation Klein-Gordon.Le spectromètre utilisé pour cette mesure a été caractérisé grâce aux transitions relativistes des atomes héliumoïdes produits dans un nouveau type de source d'ions à résonance cyclotronique des électrons. Les spectres haute statistique de ces ions permettent de mesurer les énergies de transition avec une précision de quelques ppm, ce qui permet de tester, avec un degré de précision jamais atteint, les prédictions théoriques. L'émission de rayons-X des atomes pioniques et des ions multichargés peut ainsi être utilisée pour la définition de nouveaux étalons de rayons-X de quelques keV.

Ce travail vise à contribuer à l’amélioration de notre connaissance de l’électrodynamique quantique des états liés, par des mesures de haute précision dans des états exotiques de la matière. Bien que notre connaissance de l’électrodynamique quantique des états liés et du problème relativiste à plusieurs corps aient fait des progrès importants ces dernières années, il reste des questions fondamentales dont la résolution nécessite d’augmenter le nombre et la précision des tests expérimentaux. La première partie de ce travail a été réalisée dans le cadre de l’expérience récente sur les ions muoniques d’hélium (μ4He+ et μ3He+) conduite par la collaboration CREMA. Cette expérience vise à fournir de nouvelles valeurs précises pour les rayons de charge moyens des noyaux des isotopes stables de l’hélium. Ces valeurs sont extraites de la mesure du déplacement de Lamb, c’est-à-dire, de la mesure de la différence d’énergie entre les États 2S − 2P. Une mesure des énergies de transition d’une précision d’au moins 50 ppm, permet de déterminer les rayons de charge des noyaux des isotopes d’hélium avec une incertitude de 0,03%, dix fois plus précise que les résultats précédents obtenus à partir de la diffusion d’électrons. La deuxième partie de ce travail a été de réaliser des mesures de haute précision de transitions de rayons X dans des ions fortement chargés, à l’aide d’un spectromètre à double cristal plan. Ces ions étaient produits dans le plasma d’une source d’ions de type ECRIS (electron-cyclotron resonance ion source). Le spectromètre utilisé est non seulement capable de fournir des mesures de haute précision, mais aussi des mesures sans référence à des énergies de transition théorique ou expérimentales. Quatre énergies de transition de n = 2 → n = 1 ont été mesurées pour des ions d’argon de trois états de charge différents, héliumoïde, lithiumoïde et berylliumoïde, avec une précision meilleure que 3 ppm. La largeur naturelle de chaque raie a également été obtenue expérimentalement. Les résultats trouvés sont en excellent accord avec les calculs théoriques les plus récents. / This work aims to provide insight on Bound-State Quantum-Electrodynamics (BSQED) by experimental fundamentals high-precision tests in exotic states of matter. Although BSQED and the relativistic many-body problem have been undergoing important progress, there are still some issues that require the increase of the number and accuracy of experimental fundamental tests. The first part of this work was done within the framework of the recent experiment in muonic helium ions (μ4He+ and μ3He+) by the CREMA collaboration. This experiment, aims to provide new accurate values for the root-mean-square (rms) charge radii of the helium isotopes nuclei that are extracted from the measurement of the Lamb Shift, i.e., the measurement of the energy difference between the 2S − 2P states. With the goal of measuring the transition energies with an accuracy of at least 50 ppm, the rms charge radii of the helium isotopes will be determined with an uncertainty of 0.03%, a factor of ten more precise than previous results obtained from electron scattering. The second part of this work aims the high-precision measurement of x-ray transitions in Highly-Charged Ions (HCI) using a Double-Crystal Spectrometer (DCS). These ions were produced in the plasma of an Electron-Cyclotron Resonance Ion Source (ECRIS). This kind of spectrometer is able not only to provide high-precision measurements but also reference-free measurements, without reference to any theoretical or experimental energy. Four transitions energies from n = 2 → n = 1 have been measured in an argon plasma in three different charge states, He-, Be- and Li-like, with an accuracy of better than 3 ppm. Besides the energies, the natural width of each transition has also been experimentally obtained. The obtained results are in excellent agreement with the most recent theoretical calculations.

Cette thèse porte sur l’élaboration et la caractérisation électrique et physico-chimique des grilles métalliques des dispositifs FDSOI MOSFET 14 nm à base d’oxyde high-K fabriqués chez STMicroelectronics. Ces grilles métalliques sont composées de couches de TiN, lanthane et aluminium, déposées par pulvérisation cathodique RF. Des structures de test et un schéma d’intégration simplifié permettant l’analyse capacitive ont été mis en place pour caractériser la modulation du travail de sortie effectif des grilles métalliques en TiN avec l’incorporation d'additifs tels que le lanthane ou l’aluminium. Ces additifs ont été incorporés suivant une approche de grille sacrificielle. Par ailleurs, une méthodologie inédite basée sur la fluorescence X a été proposée et validée pour la caractérisation précise en ligne de la diffusion des additifs. Cette méthodologie permet de prouver que la dose effective de l’espèce incorporée après recuit de diffusion peut être modélisée en fonction de l’épaisseur du TiN piédestal dans la grille sacrificielle ainsi que de la température de recuit. De plus, la variation de l’épaisseur de l’oxyde interfaciel sur une seule plaquette (oxyde biseau) autorise l’identification de l’origine physique de la modulation du travail de sortie effectif, qui s’explique par un dipôle qui évolue avec la dose effective de l’espèce incorporée. En conséquence, un modèle de la diffusion des dopants de grille dans l’oxyde high-K et de leur impact sur le travail de sortie effectif des grilles métalliques a été proposé afin de moduler avec précision la tension de seuil (VTH) des dispositifs FDSOI 14 nm. En outre, l’impact de l’oxyde high-K à la fois sur la diffusion des additifs et sur la modulation du travail de sortie effectif a été mis en évidence. Enfin, un procédé innovant de dépôt métallique, permettant la modification de la microstructure du TiN, a été développé afin d’améliorer davantage la variabilité locale du VTH des dispositifs FDSOI. / This Ph.D. thesis is focused on the fabrication and electrical and physicochemical characterization of metal gates in 14 nm high-K based FDSOI MOSFET devices, manufactured at STMicroelectronics. These metal gates are composed of TiN, lanthanum and aluminum layers, deposited by RF sputtering. Test structures and a simplified integration scheme allowing C-V measurements, have been implemented in order to characterize the modulation of the effective work function of TiN metal gates with the incorporation of dopants such as lanthanum or aluminum. These additives are incorporated in a sacrificial gate-first approach. Furthermore, a new methodology based on X-ray fluorescence was proposed and validated for accurate in-line characterization of the diffusion of dopants. This methodology enables to prove that the effective dose of the species incorporated into dielectrics after diffusion annealing may be modeled as a function of the thickness of the pedestal TiN in the sacrificial gate and the annealing temperature. Moreover, the variation of the thickness of the interfacial oxide along the wafer (bevel oxide) authorizes the identification of the origin of the modulation of the effective work function, which is explained by a dipole that evolves with the effective dose of the incorporated dopant. Accordingly, a model of the diffusion of dopants into the gate dielectrics and their impact on the effective work function of metal gates has been proposed to precisely modulate the threshold voltage (VTH) of the 14 nm FDSOI devices. In addition, the influence of the high-K oxide on both the diffusion of dopants and the modulation of the effective work function was highlighted. Lastly, an innovative process for metal deposition, allowing the modification of the microstructure of TiN, was developed in order to further improve the local VTH variability in FDSOI devices.

Les alliages binaires FeCr de structure FM (ferrito/martensitique) sont actuellement les candidats les plus prometteurs comme matériaux de structure pour les réacteurs rapides refroidis au sodium et les futurs systèmes de fusion. Cependant, l'impact de Cr sur l'évolution de la microstructure irradié dans ces matériaux n’est pas bien compris. De plus, particulièrement pour les applications de fusion, le scénario de dégâts d'irradiation devrait être compliquée en outre par la présence de grandes quantités d'hélium produit par transmutation nucléaire (~ 10 appm He / dpa). Dans ce contexte, une étude spécifique des effets de l'irradiation ionique (influence du Cr et de l’He sur l’évolution de la microstructure) a été menée à 500 ° C sur une grande variété d’alliages FeCr de haute pureté (à teneur en Cr allant de ~ 3 wt.% À 14 wt.%) ainsi que sur du Fe pur. Les irradiations ont été effectuées à l'aide ions Fe, en mode mono-faisceau et mode dual-beam (irradiation par des ions Fe et co-implantation d'He) afin de pouvoir séparer le dommage ballistique de l’implantation couplée avec de l’He. Trois différentes doses ont été étudiées: dose élevée (157 dpa, avec 17 appm He / dpa), dose intermédiaire (45 dpa, avec 57 appm He / dpa) et in situ à faible dose (0,33 dpa, avec 3030 appm He / dpa). Les expériences ont été effectuées en utilisant l'installation JANNuS triple faisceau du CEA-Saclay et la plateforme in-situ du CSNSM-Orsay. L’évolution microstructurale des échantillons est essentiellement faite par MET, SAT et par EDS en mode STEM. Les principaux résultats sont les suivants : 1) L’étude détaillée de la population des cavités dans du Fe irradié à forte dose a révélé une forte réduction du gonflement du fait de l'ajout d’He. Une réduction drastique de la taille des cavités en dépit d’une densité plus élevée a été observée. Ce comportement a été observé tout au long zone irradié, jusqu’au pic d’endommagement. 2) La microstructure de cavités a également été étudiée dans les alliages FeCr irradiés en double faisceau à forte dose, et les résultats ont été comparés à ceux obtenus dans le Fe pur. L'analyse a été effectuée à une profondeur intermédiaire de 300 à 400 nm sous la surface (pour éviter les effets des interstitiels injectés et les effets de surface), correspondant à 128 dpa, 13 appm He / dpa. L’étude par TEM a montré que l'addition de petites quantités de Cr, aussi basse que 3wt.%, est très efficace pour réduire fortement le gonflement. Une réduction drastique de la taille des cavités a été mise en évidence. Par exemple, la taille moyenne des cavités pour l’alliage Fe3% Cr est de l’ordre de 0,9 nm alors qu’elle est voisine de 6,8 nm pour le Fe pur. De plus, la variation du gonflement en fonction de la teneur en Cr n’est pas monotone et présente un maximum local à environ 9 -. 10wt% Cr. 3) Le couplage des différentes techniques d’analyse, MET classique, STEM/EDS et analyse SAT appliqué à l’étude des alliages FeCr irradiés à faible et moyenne dose révèle la présence de zones enrichies en Cr sur le plan d’habitat des boucles de dislocation. Ce phénomène est relié à un phénomène de ségrégation induite par irradiation (RIS) de Cr au voisinage du coeur des boucles de dislocation. Quand la boucle se développe sous irradiation, les zones de ségrégation ne peuvent probablement pas se redissoudre du fait de la présence d'impuretés telles que le C. Lorsque les boucles sont imagées par MET, ces zones enrichies produisent des franges de contraste au voisinage du plan de la boucle. Une estimation quantitative de cet enrichissement a été déduit par STEM / EDS et l'SAT. La teneur en Cr dans ces domaines se situe entre 23 -. 35% par EDS et 22 % par SAT, ce qui est bien en dessous de la teneur en Cr de la phase α’ riche en Cr. / FeCr binary alloys are a simple representative of the reduced activation ferritic/martensitic (F-M) steels, which are currently the most promising candidates as structural materials for the sodium cooled fast reactors (SFR) and future fusion systems. However, the impact of Cr on the evolution of the irradiated microstructure in these materials is not well understood in these materials. Moreover, particularly for fusion applications, the radiation damage scenario is expected to be complicated further by the presence of large quantities of He produced by the nuclear transmutation (~ 10 appm He/dpa). Within this context, an elaborate ion irradiation study was performed at 500 °C on a wide variety of high purity FeCr alloys (with Cr content ranging from ~ 3 wt.% to 14 wt.%) and a bcc Fe, to probe in detail the influence of Cr and He on the evolution of microstructure. The irradiations were performed using Fe self-ions, in single beam mode and in dual beam mode (damage by Fe ions and co-implantation of He), to separate ballistic damage effect from the impact of simultaneous He injection. Three different dose ranges were studied: high dose (157 dpa, 17 appm He/dpa for the dual beam case), intermediate dose (45 dpa, 57 appm He/dpa for dual beam case) and in-situ low dose (0.33 dpa, 3030 appm He/dpa for the dual beam case). The experiments were performed at the JANNuS triple beam facility and dual beam in situ irradiation facility at CEA-Saclay and CSNSM, Orsay respectively. The microstructure was principally characterized by conventional TEM, APT and EDS in STEM mode. The main results are as follows: 1) A comparison of the cavity microstructure in high dose irradiated Fe revealed strong swelling reduction by the addition of He. It was achieved by a drastic reduction in cavity sizes and an increased number density. This behaviour was observed all along the damage depth, upto the damage peak. 2) Cavity microstrusture was also studied in the dual beam high dose irradiated FeCr alloys, and the results were compared to bcc Fe. The analysis was performed at an intermediate depth 300 – 400 nm below the surface (to avoid injected interstitial effect and surface effects), corresponding to 128 dpa, 13 appm He/dpa. TEM study revealed that the addition of small quantities of Cr, as low as 3wt.%, is highly efficient in strongly reducing void swelling. It was achieved by a drastic reduction of cavity sizes. For instance, average cavity size in Fe3%Cr was 0.9 nm as opposed to 6.8 nm in bcc Fe. Furthermore, the variation of void swelling as a function of Cr content is non-monotonic, with alocal maxima around 9 - 10wt.%Cr. 3) Coupling of conventional TEM, STEM/EDS and APT analysis on low and intermediate dose irradiated FeCr alloys revealed the presence of Cr enriched zones on the habit plane of the dislocation loops. This is expected to be due to radiation induced segregation (RIS) of Cr close to the core of the loops. As the loop grows under irradiation, the segregated areas are probably prevented from re-dissolution by impurity elements such as C. When imaged by TEM using classical diffraction contrast imaging techniques, these enriched zones produce displacement fringe contrast on the loop plane. A quantitative estimate of this enrichment was deduced by STEM/EDSand APT. The Cr content in these areas was between 23 - 35 at.% measured by EDS and 22 ± 2 at.% obtained by APT, whichis well below the Cr content of the Cr-rich α’ phase.