Depuis quelques années, l’électronique flexible connait un essor de grande envergure, notamment pour l’affichage sur grande surface comme les écrans plats (LCD, AMOLED..). Une alternative au silicium amorphe (a-Si), abondamment utilisé dans ces technologies, est l’emploi des semi-conducteurs à base d’oxydes métalliques. En effet, ces matériaux aux propriétés électriques remarquables présentent plusieurs combinaisons intéressantes de propriétés peu observées usuellement : ils sont transparents grâce à leur grande bande interdite, leur structure peut être amorphe ou cristalline, la mobilité peut atteindre 10 cm2V-1s-1 dans l’état amorphe, soit une décade de plus que celle du silicium amorphe. Ces travaux de thèse présentent dans un premier temps la mise en place d’un procédé complet de type sol-gel pour l’élaboration de semi-conducteurs de type In-(X)-Zn-O (IXZO) avec différents dopants X (Ga, Sb, Be, Al…). Ce procédé novateur pour ce type de semi-conducteur nous a permis de déterminer la meilleure composition chimique en termes de stabilité et de performances électriques. Après avoir identifié et optimisé les verrous technologiques (composition, dopants, concentration, interfaces…), nous avons caractérisé la nanostructure de ces matériaux et mis en évidence une ségrégation de phase des oxydes élémentaires permettant une compréhension plus fine des propriétés de transport dans ces semi-conducteurs et proposons un modèle de conduction par percolation validé pour une large gamme de dopants étudiés. Finalement, grâce à la mise au point d'un recuit combiné à un procédé lampe flash UV, nous démontrons la faisabilité de l’intégration de ces matériaux sur substrat flexible. / Flexible electronics has experienced major advances in these last years. Indeed, the boom of flat panel displays (LCDs, AMOLED.) market is undergoing an exponential increase. One of the alternative solutions to amorphous silicon (a-Si) commonly used nowadays in these products is the development of metal oxide semiconductors. These materials are experiencing a huge consideration in both academic and industrial research, as well as in development labs due to their multiple performances. Besides their high electrical properties, with typical charge carrier mobilities in the order of 10 cm2V-1s-1. They can also be processed giving crystalline or amorphous structures. In this work, we have chosen to develop a complete chemical process based on the sol-gel technique to elaborate ternary metal oxide semiconductors, refered as In-(X)-Zn-O (IXZO) using different metal X as dopants. This innovative process for metal oxide semiconductors has allowed us to determine the best chemical composition, leading to a high stability and excellent electrical performances. Then, after having optimized the technological barriers (composition, doping, concentration, interfaces ...), we have characterized the nanostructure of these materials and evidence a phase segregation of the elementary oxides inside the material. We have also obtained a better understanding of charge transport properties in these semiconductors and assessed a percolation-based conduction model valid over a wide range of metal dopants. Finally, we have developed and optimized a combined thermal and UV flash lamp annealing process and demonstrated the feasibility of the integration of metal oxides on flexible substrates.

Parmi les principaux verrous à lever pour la mise en place de l’IoT, l’un des plus difficiles concerne l’autonomie des objets. Il est en effet difficilement concevable, vu le grand nombre de composants déployés, d’intervenir sur chacun pour remplacer, ou recharger, leur batterie. Dans ce contexte ma thèse a pour objectif de proposer des solutions éco-énergétique afin de rendre tout ou partie autonome des objets communicants, type capteur. Une des solutions est de développer des récupérateurs d’énergie radiofréquences fonctionnant aux fréquences dans la bande ISM, 900 MHz et/ou 2,4 GHz. Grâce aux modules de récupération d’énergie le capteur pourra fonctionner sur une période théoriquement illimitée, grâce à un module de stockage d’énergie embarqué rechargeable. En pratique, la fiabilité de l’élément de stockage définira le temps de vie du capteur, estimé à une vingtaine d’années avec les cellules de stockage rechargeables actuelles. Les solutions existantes dans le commerce sont presque exclusivement développées sur substrat époxy (ou dérivé). Cette solution est généralement robuste et performante. En revanche la rigidité mécanique du substrat réduit l’intégration des nœuds dans notre environnement, elle devient rédhibitoire dans le cas des réseaux corporels. Afin de permettre au capteur autonome de s’intégrer plus facilement, et d’adresser notamment des applications de type biomédicales, celui-ci sera développé sur substrat souple. Cet objectif pose certains défis quant à la maitrise des procédés de fabrication et de report des composants pour les performances des parties radiofréquences / Electronics has undergone an unquestionable evolution in recent years. The progress made gives more efficient circuits and smaller, but especially more and more energy efficient. This evolution, combined with advances in the digital and IT domain, has enabled the expansion of Internet of Things (IoT) applications based on the massive deployment of autonomous wireless communicating sensors. The first generations of sensor could only work during the time of discharge of their battery. One of the proposed ways to extend the autonomy of objects is to use the ambient energy. Several technologies have been developed to optimize the energy harvesting depending on the environment of the sensor. The work of this thesis allows developing RF energy harvesters in three steps. The first part studies antennas structures compatible with the energy harvesting. Each antenna is optimized to either recover more energy or better integrate into the environment. The second step focuses on the RF / DC conversion circuit. The study of different circuits architectures, diodes and number of stages potentially relevant for our application, allowed realising circuits able to work with our antennas. Each circuit was then optimized to increase its conversion efficiency and its sensitivity. The final step was to assemble an antenna with a rectifier to characterize the complete harvester according two different scenarios: opportunistic energy harvesting and energy transfer conditions.

LES "COATED CONDUCTORS" (CCS), OU FILMS ÉPAIS REBCO DÉPOSÉS SUR SUBSTRATS MÉTALLIQUES FLEXIBLES, SONT DES MATÉRIAUX AU GRAND POTENTIEL INDUSTRIEL MAIS ENCORE PEU CONNUS DU FAIT DE LEUR ÉMERGENCE RÉCENTE. LES APPLICATIONS À BASE DE CCS CRÉENT DES CONTRAINTES MÉCANIQUES INHÉRENTES SUR CES MATÉRIAUX QUI NE DOIVENT PAS DÉTÉRIORER LEURS PROPRIÉTÉS ÉLECTRIQUES. <br /><br />CE TRAVAIL DE THÈSE A POUR OBJECTIF D'ÉVALUER L'INFLUENCE DE LA CONTRAINTE MÉCANIQUE SUR LES PROPRIÉTÉS DE TRANSPORT ET SUR LA MORPHOLOGIE DES CCS. LA CORRÉLATION ENTRE LES DIFFÉRENTES TECHNIQUES D'INVESTIGATION QUE SONT LES MESURES DE COURANT CRITIQUE DE TEMPÉRATURE CRITIQUE, AVEC OU SANS CHAMP MAGNÉTIQUE, L'IMAGERIE MAGNÉTO-OPTIQUE ET/OU ÉLECTRONIQUE APPORTENT DES INFORMATIONS PRÉCIEUSES. LA SYNTHÈSE DES RÉSULTATS OBTENUS NOUS A DONNÉ DES INDICATIONS TECHNOLOGIQUES SUR CES ÉCHANTILLONS FOURNIS PAR L'INDUSTRIEL THEVA-GMBH, MAIS NOUS ONT AMENÉ ÉGALEMENT À UNE ÉTUDE PLUS FONDAMENTALE DE LEURS PROPRIÉTÉS DE TRANSPORT.

Les matériaux polymères sont à l'heure actuelle peu considérés dans le vaste domaine des micro et nano technologies. Ils présentent toutefois certaines propriétés remarquables en comparaison des matériaux traditionnels de la microélectronique. Par exemple leur déformabilité et leur légèreté permettent d'envisager des fonctions de supports flexibles pour des composants électroniques. Par ailleurs, ils offrent des solutions d'assemblage de matériaux de diverses natures. Cette étude porte précisément sur ces deux thématiques. En premier lieu, nous avons étudié les mécanismes de collage impliqués dans l'assemblage de substrats de type silicium par une couche de polymère. D'autre part, nous avons proposé des modèles de mécanisme de transfert de films monocristallins sur polymère. Les propriétés mécaniques des matériaux considérés, principalement du silicium monocristallin et des polymères de type vitreux et caoutchoutique, ainsi que leurs épaisseurs, peuvent varier sur plusieurs ordres de grandeur selon la configuration considérée. L'originalité de l'étude est de déterminer et d'aborder des configurations expérimentalement favorables, par des modèles mécaniques simples, élaborés à partir de lois d'échelle. Nous avons proposé, dans un premier temps, ces modèles pour expliquer des résultats liés à des configurations particulières et ainsi démontrer la pertinence de cette approche. Le cœur de notre étude porte sur le transfert de films monocristallins, aussi fins qu'une centaine de nanomètres d'épaisseur, sur polymère par adaptation du procédé Smart-CutTM (transfert par implantation ionique et fracture). En comparaison d'une configuration standard de cette technologie, nous avons notamment étudié l'impact des propriétés mécaniques propres aux polymères (de types vitreux ou caoutchoutique). Les méthodes en loi d'échelle nous ont ainsi permis de proposer des mécanismes de transfert, de l'échelle du nanomètre jusqu'à la fracture macroscopique. Nous avons également exposé un exemple d'application concret par la réalisation d'objets microélectroniques modèles sur et dans un film monocristallin de silicium. La structure, composée d'un film de quelques micromètres d'épaisseur supporté par un polymère, constitue ainsi une structure flexible d'un point de vue mécanique.

Les matériaux polymères sont à l'heure actuelle peu considérés dans le vaste domaine des micro et nano technologies. Ils présentent toutefois certaines propriétés remarquables en comparaison des matériaux traditionnels de la microélectronique. Par exemple leur déformabilité et leur légèreté permettent d'envisager des fonctions de supports flexibles pour des composants électroniques. Par ailleurs, ils offrent des solutions d'assemblage de matériaux de diverses natures. Cette étude porte précisément sur ces deux thématiques. En premier lieu, nous avons étudié les mécanismes de collage impliqués dans l'assemblage de substrats de type silicium par une couche de polymère. D'autre part, nous avons proposé des modèles de mécanisme de transfert de films monocristallins sur polymère. Les propriétés mécaniques des matériaux considérés, principalement du silicium monocristallin et des polymères de type vitreux et caoutchoutique, ainsi que leurs épaisseurs, peuvent varier sur plusieurs ordres de grandeur selon la configuration considérée. L'originalité de l'étude est de déterminer et d'aborder des configurations expérimentalement favorables, par des modèles mécaniques simples, élaborés à partir de lois d'échelle. Nous avons proposé, dans un premier temps, ces modèles pour expliquer des résultats liés à des configurations particulières et ainsi démontrer la pertinence de cette approche. Le cœur de notre étude porte sur le transfert de films monocristallins, aussi fins qu'une centaine de nanomètres d'épaisseur, sur polymère par adaptation du procédé Smart-CutTM (transfert par implantation ionique et fracture). En comparaison d'une configuration standard de cette technologie, nous avons notamment étudié l'impact des propriétés mécaniques propres aux polymères (de types vitreux ou caoutchoutique). Les méthodes en loi d'échelle nous ont ainsi permis de proposer des mécanismes de transfert, de l'échelle du nanomètre jusqu'à la fracture macroscopique. Nous avons également exposé un exemple d'application concret par la réalisation d'objets microélectroniques modèles sur et dans un film monocristallin de silicium. La structure, composée d'un film de quelques micromètres d'épaisseur supporté par un polymère, constitue ainsi une structure flexible d'un point de vue mécanique. / Polymers are little considered at the moment, in the wide domain of micro- and nano- technologies. They present however certain remarkable properties by comparison with the materials used in microelectronics. For example their flexibility and their lightness allow thinking to polymers as flexible supports for microelectronic components. Besides, they offer solutions for assembling various materials.This study concerns exactly these two items. First of all, we studied bonding mechanisms implied in the assembly of silicon wafers via polymer layers. Then we proposed models for mechanism of single-crystalline layer transfers onto polymers. The mechanical properties of the considered materials (mainly single-crystalline silicon and glassy or rubber polymers) as well as their thicknesses can vary on several orders of magnitude according to the application.The originality of the study is to determine favorable experimental configurations, by simple mechanical models developed from scale laws, and to realize demonstrators. The heart of our study concerns the transfer of single-crystalline layers as thin as about hundred nanometers onto polymers by tuning of the Smart-CutTM technology (based on ion implantation and splitting for transfer). By comparison with a standard configuration of this technology, we studied the impact of the specific mechanical properties of polymers (glassy or rubber types). The methods in scale laws allowed us proposing transfer mechanisms, from the nanometer scale up to the macroscopic one. Finally we reported on a realization of micro-technology devices, made in and on single-crystalline thin silicon membranes. The stacked structures, consisting in silicon membranes thick of a few micrometers supported by polymer films, may be considered as very flexible structures.

L’objectif de ces travaux est d’étudier et de développer des cellules solaires à base de couches minces de CIGS élaborées sur un substrat innovant : le verre ultra-fin. Ce matériau possède des propriétés avantageuses, liées notamment à sa résistance aux températures élevées, à sa légèreté, à son aptitude à bloquer l’humidité, à sa transparence et à une certaine flexibilité mécanique. Nous avons ici cherché à exploiter ces propriétés pour la fabrication de cellules CIGS légères et conformables. D’abord, nous montrons la faisabilité de cellules CIGS sur des substrats en verre ultra-fin de 100 mm d’épaisseur. Nous obtenons un rendement de 12,1 % en utilisant une électrode arrière en bicouche composée d’une couche de Mo pure et d’une couche contenant du sodium, ce qui constitue le record actuel pour la technologie CIGS sur verre ultra-fin. Nous montrons ensuite que les performances des cellules peuvent se détériorer sous l’effet de flexions mécaniques répétées avec un rayon de courbure de 5 cm, en partie en raison de la formation de fissures dans les cellules. Nous présentons ensuite une étude sur les propriétés mécaniques du Mo et du CIGS, réalisée à partir d’essais de nanoindentation. La dureté et le module de Young de ces deux couches sont reportés ainsi que, pour la première fois, la ténacité et les contraintes résiduelles du CIGS. Ces résultats sont ensuite utilisés pour calculer les contraintes générées dans le CIGS lors de la flexion des cellules. Enfin, nous proposons une structure bi-verre optimisée pour limiter les contraintes dans le CIGS en flexion. / The goal of this work is to study and to develop CIGS thin-film solar cells on an innovative substrate: the ultra-thin glass. This material has advantageous properties, mainly attributed to its high temperature resistance, its lightweight, its barrier property against moisture, its transparency and its mechanical flexibility. Here we tried to use these properties for the fabrication of lightweight and conformable CIGS solar cells. First, we demonstrate the feasibility of CIGS solar cells on 100 mm-thick ultra-thin glass substrates. We reached 12.1 % efficiency by using a bilayer back contact consisting of a pure Mo layer and a sodium doped Mo layer, which is up to now the record efficiency for CIGS solar cells on ultra-thin glass substrate. Then we show that solar cell performances can deteriorate under cyclic bending fatigue conditions with a radius of curvature of 5 cm. This is partially explained by the formation of cracks in the cells. Then, we report on the mechanical properties of the Mo and the CIGS layers measured by nanoindentation. The hardness and the Young’s modulus of each layer is given and, for the first time, the toughness and the residual stresses of the CIGS. These results are then used to calculate the CIGS internal stresses when the cells are bent. Finaly, we propose a glass-glass structure optimized to lower the CIGS internal stresses under bending.

Une cellule photovoltaïque organique est constituée d’une couche photoabsorbante comprise entre deux électrodes dont l’une au moins est transparente. Généralement, les cellules sont illuminées au travers de l’électrode inférieure transparente d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO). Néanmoins, de nombreuses applications comme l’automobile nécessitant un éclairage par le dessus du module, nous nous sommes intéressés à l'élaboration de cellules photovoltaïques sur substrat flexible, avec l'électrode inférieure opaque et l'électrode transparente déposée sur le dessus de la cellule. Deux types d'architectures ont été développés. Dans le premier cas, la cellule solaire organique finale a été entièrement déposée par des techniques de dépôt en voie liquide avec les deux électrodes en PEDOT:PSS imprimées par jet d’encre. Dans le second cas, les cellules ont été élaborées sur électrode d'argent avec une électrode supérieure transparente tricouche oxyde/métal/oxyde (MoO3/Ag/MoO3) évaporée thermiquement. Les cellules solaires organiques réalisées selon la seconde architecture ont été connectées en série afin de créer un module photovoltaïque organique. Ce dernier a permis d’alimenter et de faire briller une LED. / An organic solar cell is made of a photoactive layer sandwiched between two electrodes among which one at least is transparent. Usually, solar cells are illuminated through the tin-doped indium oxide (ITO) bottom transparent electrode. Nevertheless, many applications like automobile requiring illumination from above the module, we designed photovoltaic cells on a flexible substrate, with an opaque bottom electrode and a top transparent one. Two types of architectures were developed. At first, the final organic solar cell was fully deposited by solution-process with both electrodes made of ink-jet printed PEDOT:PSS. Then the cells were elaborated on a silver bottom electrode with a transparent evaporated oxide/metal/oxide (MoO3/Ag/MoO3) top electrode. The organic solar cells made according to the second structure were connected in series to create an organic photovoltaic module. It allowed to power and shine a white LED.

Ce travail de thèse est principalement dédié à la mise en forme et à l’utilisation de nano-objets unidimensionnels comme matériaux d’électrodes transparentes. Les nanofils d’argent font partie des candidats les plus prometteurs pour le remplacement de l’oxyde d’indium-étain, actuellement le plus répandu dans les dispositifs commerciaux. La forte instabilité des nanofils d’argent à l’oxydation est néanmoins un problème critique puisque les électrodes deviennent moins performantes en peu de temps. En premier lieu, la triphénylphosphine a été utilisée comme agent inhibant l’oxydation. Contrairement aux électrodes non modifiées, celles-ci sont stables pendant plus de trois mois. Une deuxième partie est consacrée à l’utilisation de l’électrofilage pour élaborer des électrodes transparentes à base de nanofibres de matériaux conducteurs (nanofibres de cuivre, nanotubes de carbone, oxyde de graphène réduit). Enfin, une dernière partie concerne l’étude des propriétés mécaniques de nanofibres d’alcool polyvinylique par l’écoulement d’un fluide porteur dans une constriction réalisée en impression 3D. Cette méthode permet une analyse et une évaluation simple et rapide de la contrainte à la rupture des nanofibres, propriété difficilement accessible par des mesures mécaniques traditionnelles. / This PhD work deals mainly with the high scale organization and use of unidimensional nano-objects for making transparent electrodes. Among the candidates of choice for the replacement of indium tinoxide, the main material used in commercial devices, silver nanowires (Ag NW) are among the most promising. However, the tendency of silver nanowires to be quickly oxidized can severely affect their performances. Firstly, this drawback is circumvented through the use of triphenylphosphine (PPh3)as a protective agent. Unlike bare Ag NW electrodes, the PPh3 modified Ag NW electrodes are stable over three months. A second part is dedicated to the production of transparent electrodes via the electrospinning technique. Materials such as copper nanofibers, carbon nanotubes and reduced graphene oxide are investigated. The last part of the manuscript deals with the measurement of the mechanical properties of poly(vinyl alcohol) (PVA) nanofibers. To do so, the flowing of a fluid in a3D-printed constriction is used. Usually determined with difficulty, the fracture strength of the nanofibers can be evaluated quickly at ease.