Actuellement, les injections systémiques de médicaments atteignent faiblement les sites tumoraux et de fortes doses sont alors administrées provoquant des effets secondaires parfois lourds. Les possibilités offertes par les applications en médecine des nanoparticules permettent de nouvelles stratégies pour vectoriser des substances actives dans les cellules malades. Ces travaux de thèse portent sur le cancer de la prostate qui est le deuxième cancer le plus diagnostiqué et la cinquième cause de décès chez les hommes dans le monde.Les nanotubes de titanate (TiONts) sont synthétisés par voie hydrothermale et présentent une longueur moyenne de 170 nm, un diamètre extérieur de 10 nm et une cavité interne accessible de 4 nm. Leur morphologie tubulaire permet aux TiONts d’être internalisés plus facilement dans les cellules, sans induire de cytotoxicité, tout en créant un effet radiosensibilisant.Deux nanohybrides ont été développés dans cette thèse, pour lutter contre le cancer de la prostate par injection intratumorale (IT) et une attention particulière a été portée sur leur élaboration. Ces nouveaux nanomédicaments ont été pleinement caractérisés par différentes techniques (MET, ATG, potentiel zêta, XPS, spectroscopies UV visible, IR et Raman).La première approche consiste à combiner les TiONts avec un agent thérapeutique (le docétaxel, DTX), largement utilisé pour inhiber les tumeurs de prostate et un agent chélatant (le DOTA, radiomarqué avec l’111In) pour suivre la biodistribution des tubes par SPECT/CT. La surface des TiONts a été préalablement fonctionnalisée par l’APTES et le poly(éthylène) glycol (PEG3000) pour rendre les TiONts stables et biocompatibles. Afin d’évaluer l’efficacité de ce nanohybride, des tests in vitro ont montré que l’association entre les TiONts et le DTX permettait de maintenir une activité cytotoxique sur des lignées cellulaires de prostate (cellules 22Rv1 et PC 3) alors que les TiONts sans le DTX n’étaient pas toxiques. Les études in vivo ont montré, sur des souris Swiss nude mâles, que plus de 70% des nanovecteurs étaient retenus dans la tumeur, après injection IT, après 7 jours. De plus, un retard de croissance tumorale pour les souris ayant reçu le nanohybride avec la radiothérapie (RT) est observé, par rapport aux souris ayant reçues seulement le DTX. Après cette étude, d’autres molécules organiques ont été greffées avec succès à la surface des TiONts pour améliorer la stabilité colloïdale et la biocompatibilité des nanotubes : AHAMTES, catéchols (LDOPA, DHCA et NDOPA), phosphonates (PHA, ALD et un polymère hétérobifonctionnel de type phosphonate : (HO)2 (O)P-PEG NH2). De plus, le greffage de différentes longueurs de chaîne de PEG a été évalué par deux voies de synthèses. Le greffage de ces PEG en milieu organique (PyBOP) s’est avéré très prometteur pour améliorer leur taux de greffage et leur stabilité colloïdale.Dans une seconde approche, pour accroître l’effet radiosensibilisant, des nanoparticules d’or (AuNPs), elles-mêmes modifiées par le DTDTPA, ont été couplées avec les TiONts en présence ou non de DTX. Cette nouvelle combinaison a pour objectif le maintien des AuNPs, par les TiONts, dans la tumeur afin d’améliorer l’effet de la RT. Grâce aux AuNPs modifiées par le DTDTPA, le nanohybride est également détectable par imagerie X et par SPECT/CT. Les résultats in vitro ont démontré l’activité cytotoxique de l’édifice final. Des études de biodistribution et de croissance tumorale ont également été réalisées sur des tumeurs PC-3 xénogreffées sur des souris.Ces TiONts fonctionnalisés apparaissent comme un nouvel outil polyvalent dans le domaine médical, notamment pour lutter contre le cancer de la prostate. / Currently, the systemic injections of drugs reach very weakly tumor sites and large doses are thus administered causing adverse side effects. The new implementations of nanoparticles in the medical field offer new strategies to vectorize an active substance in diseased cells. This work is focused on the prostate cancer, which is the second most frequently diagnosed cancer and the fifth leading cause of cancer death in men worldwide.Titanate nanotubes (TiONts) are synthetized by a hydrothermal process and have average dimensions of about 170 nm in length, 10 nm in outer diameter and also have an internal cavity of 4 nm in diameter. Their needle-shaped morphology allows them to be internalized more easily into cells without inducing cytotoxicity while providing a radiosensitization effect.In the present manuscript are described two TiONts-based nanohybrids which were developed with a view to fight against prostate cancer by intratumoral (IT) injection and a particular attention was paid on their elaboration. These new nanomedicines were extensively characterized by different techniques (TEM, TGA, ζ potential, XPS, UV visible, IR and Raman spectroscopies).The first approach that has been developed consists in combining TiONts with a therapeutic agent (docetaxel, DTX), widely used for the treatment of prostate cancer, and a chelating agent (DOTA) allowing the radiolabeling with 111In radionuclide to monitor TiONts biodistribution by SPECT/CT. The surface of TiONts was beforehand coated with a siloxane (APTES) and linked to a heterobifunctional polymer (PEG3000) to create well-dispersed and biocompatible TiONts. In vitro tests demonstrated that the association between TiONts and DTX had cytotoxic activity against prostate cancer cell lines (22Rv1 and PC-3 cells) whereas TiONts without DTX did not. The results of in vivo SPECT/CT imaging are also presented as well as first irradiation tests in Swiss nude mice after IT injection on PC-3 tumors. Biological tests showed that more than 70% of TiONts nanovectors were retained within the tumor for at least 7 days. In addition, tumor growth of mice receiving nanohybrids with radiotherapy was significantly slower than that of mice receiving free DTX. After this first study, other organic molecules were successfully grafted to the surface of TiONts to improve colloidal stability and biocompatibility of nanotubes: AHAMTES, catechols (LDOPA, DHCA and NDOPA) and phosphonates (PHA, ALD and a phosphonate heterobifunctional polymer-based: (HO)2 (O)P PEG NH2). Moreover, the influence of different PEG lengths has been considered on the nanomedicine efficacy by two different pathways. The grafting of these PEG in an organic medium (PyBOP) was very promising to improve their graft ratio and their colloidal stability.In a second approach and in order to improve the radiosensitizing effect, DTDTPA-modified gold nanoparticles (AuNPs) were coupled with TiONts in the presence of DTX. This novel combination aims at retaining these AuNPs into the tumor via the TiONts to enhance the radiotherapeutic effect. The nanohybrid was also detectable by X-ray and SPECT/CT imaging through AuNPs-DTDTPA. Preliminary in vitro results showed once again that our final nanohybrid had a satisfactory cytotoxic activity. Biodistribution and tumor growth studies were also realized on PC-3 xenografted tumors on mice.These functionalized-TiONts could thus become a new tool in the field of biomedicine to fight against prostate cancer and appear as versatile nanovectors.

Orientador: Oswaldo Luiz Alves / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-19T10:57:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigues_CarolinaMartins_D.pdf: 3785624 bytes, checksum: 900b631cfaf12d5446ec0fee86c6118b (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Esta Tese visa avaliar a importância da morfologia e da composição química das nanoestruturas de titanato usando a modificação com moléculas orgânicas e desenvolvimento de nanocompósitos poliméricos. As nanoestruturas de titanato de sódio foram obtidas via tratamento hidrotérmico em solução de hidróxido de sódio 10 mol L em 150 e 180°C. De acordo com as caracterizações físico-químicas foi observada a formação de nanotubos de titanato de sódio quando o tratamento hidrotérmico foi realizado a 150°C. No caso do tratamento feito a 180°C foi verificada a formação de nanofitas de titanato de sódio. Os nanotubos de titanato protonados foram obtidos via processo de troca iônica dos nanotubos de titanato de sódio em solução de ácido clorídrico 0,1 mol L. Uma vez obtidas às nanoestruturas de titanato, estas foram submetidas à etapa de modificação com moléculas orgânicas. Essa etapa de modificação consistiu na dispersão destas nanoestruturas em soluções de ácido oléico (OAC) e de brometo de cetiltrimetilamônio (CTAB). Nesta etapa foi verificado que os nanotubos apresentaram maior adsorção/ligação das moléculas orgânicas, o que pode ser relacionado à sua maior área superficial. Em relação à composição química foi observado que os nanotubos de titanato de sódio adsorveram/ligaram maior quantidade de CTAB, o que pode ser indicativo da maior quantidade de grupos OH presentes na superfície dos nanotubos de titanato de sódio, o que poderia resultar em um potencial zeta mais negativo, gerando uma maior interação eletrostática entre os nanotubos e o CTAB. Por último, as nanoestruturas de titanato foram incorporadas em filmes de poli (metacrilato de metila) (PMMA) e borracha natural pelo método de evaporação de solvente. Para o caso do PMMA, as nanofitas resultaram em maior estabilidade termo-oxidativa, e os nanotubos protonados resultaram em melhores propriedades mecânicas. Em ambos os casos, as nanoestruturas foram observadas na forma de aglomerados na matriz. O uso de nanoestruturas modificadas nos filmes de PMMA resultou em melhor dispersão e também na melhoria das propriedades mecânicas. Para os nanocompósitos de borracha, os nanotubos de titanato de sódio foram os que apresentaram melhor dispersão e aumento discreto nas propriedades mecânicas / Abstract: The aim of this thesis was to evaluate the importance of the morphology and chemical composition of titanate nanostructures using the modification with organic molecules and the development of polymeric nanocomposite. The sodium titanate nanostructures were obtained via hydrothermal treatment in a solution of 10 mol L sodium hydroxide at 150 and 180°C. According to the physical-chemical characterizations, it was observed the formation of sodium titanate nanotubes when the hydrothermal treatment was performed at 150°C. In the case of treatment given to 180°C, the formation of sodium titanate nanoribbons was observed. Protonated titanate nanotubes were obtained by ion exchange process of sodium titanate nanotubes in 0.1 mol L hydrochloric acid solution. Once obtained the titanate nanostructures, they were subjected to phase modification with organic molecules. This step of modification was performed dispersing the nanostructures in solutions of oleic acid (OAC) and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB). At this stage it was found that the nanotubes had a higher adsorption/bonding of organic molecules, which may be related to their larger surface area. Regarding the chemical composition, it was observed that the sodium titanate nanotubes adsorbed/bonding contain the highest amount of CTAB, which can be related to the greater amount of OH groups adsorbed on the surface of sodium titanate nanotubes, which could result in a more negative zeta potential, producing a greater electrostatic interaction between the nanotubes and CTAB. Finally, the titanate nanostructures were embedded in films of poly (methyl methacrylate) (PMMA) and also films of natural rubber by the casting method. For the case of PMMA, the nanoribbons resulted in a greater thermo-oxidative stability, and protonated nanotubes resulted in better mechanical properties. In both cases, the nanostructures were observed in the form of clusters in the matrix. The modified nanostructures embedded in the film of PMMA dispersed better and the mechanical properties were improved. For the rubber nanocomposites, the sodium titanate nanotubes showed greater dispersion and resulted in a slight increase in mechanical properties / Doutorado / Quimica Inorganica / Doutor em Ciências

Cette thèse avait pour objectif de mettre en place et d’appliquer les techniques de mesure de champs de déplacements et de déformations (corrélation d’images numériques CIN) pour caractériser le comportement mécanique non linéaire de matériaux réfractaires. L’étude a été réalisée sur différents types de matériaux présentant des degrés variables de flexibilité : un matériau modèle monophasé à base de titanate d’aluminium (TA VF) et des matériaux industriels multi-phasés à base de magnésie. La flexibilité dans le cas du TA VF est obtenue grâce à l’anisotropie de la dilatation thermique entre les trois axes cristallographiques, et dans le cas des matériaux industriels grâce à la différence de coefficients de dilatation entre les agrégats de spinelle et la matrice magnésienne. Ces matériaux industriels ayant une déformation à rupture plus faible, la technique de corrélation d’images a dû être optimisée en ajustant au mieux les conditions expérimentales.La CIN et la méthode de suivi de marqueurs ont permis de mettre en évidence le caractère dissymétrique du comportement mécanique en flexion du TA VF entre la zone de l’éprouvette sollicitée en traction et celle en compression et d’investiguer le déplacement relatif des rouleaux du dispositif de flexion. Cette dissymétrie de comportement engendre un déplacement progressif de la fibre neutre au fur et à mesure que la charge appliquée augmente. Cette technique a ensuite été étendue à d’autres essais tels que l’essai brésilien et le Wedge Splitting appliqués aux matériaux industriels magnésiens. La CIN a ainsi permis d’illustrer les mécanismes de rupture (initiation et propagation de fissures) et de mettre en évidence la présence de phénomènes de « crack branching » obtenus grâce au réseau initial de microfissures volontairement généré au sein du matériau par différentiel de dilatation entre phases dans le but d’améliorer sa résistance aux chocs thermiques. Enfin, à partir des champs de déplacements obtenus par corrélation d’images, la méthode de recalage par éléments finis a été développée et utilisée pour déterminer l’évolution des propriétés élastiques du matériau pendant l’essai. / The present thesis aimed to apply digital image correlation (DIC) used for kinematic fields’ measurements as a support for the experimental characterization of refractory materials with specific non-linear behaviour. Model and industrial materials with different degrees of flexibility were studied. The first type of materials was a single phase model flexible aluminium titanate material (AT VF) developed for academic purposes by improving the grain growth. Its non-linear mechanical behaviour was obtained thanks to the thermal expansion mismatch of its grains according to the different crystallographic axis. The second one is multi-phased magnesia based industrial materials, whose flexibility is less accentuated, and for which the non-linear mechanical behaviour is obtained thanks to the thermal expansion coefficients mismatch between spinel aggregates and magnesia matrix. In order to apply the optical methods on these materials which exhibit lower strain-to-rupture, it was necessary to optimize the accuracy of these techniques by improving experimental conditions.In the case of AT VF, DIC and mark tracking method have been applied on four-points bending test at room temperature to underline the material asymmetric mechanical behaviour which induces a significant shift of the neutral fibre and to evaluate the relative displacement of rolls. The application of DIC has been extended to other experimental testing method such as Brazilian and Wedge Splitting test using the multi-phased magnesia based materials. This highlighted fracture mechanisms (crack occurrence and propagation) and the presence of crack branching phenomenon promoted thanks to an initial micro-cracks network voluntary introduced by thermal expansion mismatch between the different phases so as to improve their thermal shock resistance. From displacement experimentally obtained by DIC, a finite element method updating (FEMU-U) has been developed to determine material properties.

Le diamant monocristallin possède des propriétés électroniques, thermiques et optiques exceptionnelles. Ce matériau est un excellent candidat pour les applications en électronique de puissance, en détection, en optique et en physique quantique. Malheureusement, les méthodes de synthèse conventionnelles du diamant monocristallin, basées sur le procédé Haute Pression Haute Température, produisent des monocristaux de petites dimensions. Pour lever ce verrou technologique, l’hétéroépitaxie du diamant sur iridium par CVD, utilisant le procédé de nucléation par polarisation (BEN), est une alternative pertinente. Ce procédé a été appliqué sur des substrats Ir/SrTiO3 (001) massifs. Néanmoins, les dimensions des substrats commerciaux de SrTiO3 massifs sont également limitées.Par conséquent, la stratégie retenue pour cette thèse est d’utiliser les substrats d’SrTiO3/Si (001). Ces substrats sont constitués d’une couche mince de SrTiO3 déposés par MBE sur des substrats silicium. Une étude de la stabilité thermique des films minces de SrTiO3 a permis d’optimiser le procédé de dépôt d’iridium et d’obtenir des films d’iridium possédant de très faibles désorientations cristallines. Les paramètres du procédé de BEN ont été corrélés aux taux de couverture des domaines (nucléi de diamant en relation d’épitaxie) afin de maitriser les effets des différents paramètres et de contrôler le taux de couverture des domaines. Ce contrôle précis du procédé de BEN nous a permis d’étudier l’influence du taux de couverture des domaines sur la qualité cristalline du diamant. Enfin, les collaborations liées à ce programme de recherche nous ont permis de synthétiser et de caractériser des films de diamant épais autosupporté. Toutes ces connaissances ont été mises à profit pour élargir la taille des substrats et pour obtenir des films de diamant hétéroépitaxiés sur des substrats de 5×5 mm2, puis 7×7 mm2. Des premiers essais encourageants sur des substrats 10×10 mm2 ont également été menés. / The single crystal diamond has exceptional electronic, thermal and optical properties. This material is an excellent candidate for applications in power electronics, in detection, in optics and in quantum physics. Unfortunately, conventional single crystal diamond synthesis methods, based on High Pressure High Temperature process, produce small-sized single crystals. To provide new technological solutions, diamond heteroepitaxy on iridium by CVD, using the Bias Enhanced Nucleation (BEN) process, is a pertinent alternative. This process was applied on Ir/SrTiO3 (001) bulk substrates. However, the dimensions of commercial bulk SrTiO3 substrates are also limited.Therefore, the chosen strategy for this thesis is to use SrTiO3/Si (001) substrates. These substrates are made of a thin layer of SrTiO3 deposited by MBE on silicon substrates. The study of the thermal stability of SrTiO3 thin films has allowed the optimization of the iridium deposition process and the synthesis of iridium films with very low crystal misorientation. The BEN process parameters were correlated with the coverage ratio of the domains (epitaxial diamond nuclei) to understand the effects of different parameters and to control the coverage ratio of the domains. This precise control of the BEN process has allowed us to study the influence of the coverage ratio of the domains on the crystalline quality of the diamond epilayers. Finally, collaborations related to this research program allowed us to synthesize and characterize thick, free-standing diamond films. All this knowledge has been used for substrate upscaling in order to obtain heteroepitaxial diamond films on 5×5 mm2 and on 7×7 mm2 substrates. Encouraging first tests on 10×10 mm2 substrates were also conducted.

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Fabrication of artificially structured superlattices, when controlled on a nanoscale level, can exhibit enhanced dielectric properties over a wide temperature range. Possible fabrication of new functional devices based on the parametric values of dielectric constants of these heterostructures was the major motivation behind the work. Chapter 1 gives a brief overview of ferroelectrics; their defining features and their commercial importance to electronic industry. An introduction to ferroelectric superlattices, their technological application and fundamental physics that influence the behavior of superlattices are provided. Chapter 2 deals with the various experimental studies carried out in this research work. It gives the details of the experimental set up and the basic operation principles of various structural and physical characterizations of the materials prepared. A brief explanation of material fabrication, structural, micro structural and physical property measurements is discussed. Chapter 3 involves fabrication of two-component ferroelectric superlattices consisting of Barium Titanate (BTO), and Strontium Titanate (STO) with nanoscale control of superlattice periodicities by high-pressure multi target pulsed laser deposition on Pt (111)/Ti/SiO2/Si (100) substrate. Superlattices with varying periodicities were fabricated and their compositional variation across the thin film and the interface width were studied using Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS). Fabrications of superlattice structure were supported by observation of satellite peaks in XRD corresponding to the coherent heterostructures. The microstructural analysis was carried out using cross-sectional scanning electron microscopy (SEM), and contact mode-AFM was used to image surface morphology and root-mean-square (rms) roughness of the thin film heterostructure. Chapter 4 deals with ferroelectric studies of BTO/STO superlattices. The size dependent polarization behaviors of the superlattices are shown. The experimental realization of the dimensional range in which, the long-range coupling interaction dominates the overall polarization behavior of the system was studied. The dependence of average spontaneous polarization on the individual layer thickness, temperature and the dimensional range of interaction are discussed. The enhanced non-linear behaviors of the films were measured in terms of tunability. The dielectric phase transition behavior of superlattice structures of different periodicities was studied. Chapter 5 focuses on fabrication of three-component ferroelectric superlattices consisting of Barium Titanate (BTO), Calcium Titanate (CTO) and Strontium Titanate (STO). The fabrications of superlattice structures were confirmed by the presence of satellite reflections in XRD analysis and a periodic concentration of Sr, Ba and Ca throughout the film in Depth profile of SIMS analysis. The microstructural analysis was carried out using cross-sectional scanning electron microscopy (SEM), and contact mode-AFM was used to image surface morphology and root-mean-square (rms) roughness of the thin film heterostructure. The dielectric characteristic and polarization properties of the system are discussed. Large variations of lattice distortion in the consisting layers were achieved by varying the stacking sequence and superlattice periodicity. The influence of interfacial strain on enhancement of ferroelectric polarization was studied. The size dependence and the role of interfaces in the observed enhancements of the dielectric behaviors were highlighted. The tunability of about 55% was achieved in these systems and was higher than any of the single polycrystalline thin film of the constituent materials reported till date. The enhanced dielectric properties were thus discussed in terms of the interfacial strain driven polar region due to high lattice mismatch and electrostatic coupling due to polarization mismatch between individual layers. Chapter 6 deals with the dielectric response, impedance spectroscopy and the DC leakage characteristics of the superlattice structures. All the heterostructures fabricated, exhibited low frequency dispersion, similar to that of the Jonscher’s universal type of relaxation behavior. The anomalous dispersion was observed in the imaginary dielectric constant at high frequencies. A Debye type relaxation behavior was observed in the impedance analysis at low temperatures, whereas, a departure from ideal ‘Debye’ type was noticed as the temperature was increased. The leakage currents of all the heterostructures were found to be a few orders less than the homogeneous single layer thin films. A space charge limited conduction was observed in al the superlattice structures fabricated. Chapter 7 summarizes the present study and discusses about the future work that could give more insight into the understanding of the ferroelectric perovskite heterostructures.

This thesis reports on the chemical vapour deposition (CVD) growth of carbon nanostructures (mainly carbon nanotubes (CNTs)) on perovskite oxide surfaces with the aid of various catalysts. Two types of perovskite oxide, single crystal SrTiO3 (001) and polycrystalline BaSrTiO₃, have been used as catalyst supports (in metal-catalyst-involved CVD routes) or as catalysts (via metal-catalyst-free CVD routes) for the growth of carbon nanostructures. In metal-catalyst-involved cases, SrTiO₃ (001) single crystal has been proven, for the first time, to serve as a substrate for the growth of CNTs. Fe and Ni catalysts can be tailored in a controllable manner on SrTiO3 (001) surfaces prior to the CNT synthesis, forming truncated pyramid shaped nanocrystals with uniform size distributions. The growth of vertically aligned CNT carpets was realised with the aid of Fe on SrTiO₃ (001) surfaces, and it was further found that the CNTs grow via a base growth model. Furthermore, it is possible to grow helical carbon nanostructures on BaSrTiO3 substrates by introducing a Sn catalyst into the system. The synthesised helical carbon nanostructures follow a tip growth mode, where the structural and chemical aspects of catalyst particles gave rise to a wide range of carbon morphologies. CNTs were also grown on single crystal SrTiO₃ (001) and polycrystalline BaSrTiO3 substrates via metal-catalyst-free routes. The surface-roughness-tailored growth of CNTs was surprisingly achieved on a series of engineered SrTiO₃ (001) surfaces, where a correlation between the surface roughness/morphology of the substrates and the relevant catalytic activity was revealed. The growth of CNTs arises because the catalyst fabrication methods lead to the formation of SrTiO₃ asperities with nanoscale curvatures, over which the CNTs are generated throughout a lift-off process. Facet-selective growth of CNTs was observed on polycrystalline BaSrTiO₃ surfaces, where BaSrTiO₃ (110) facets lead to the growth of CNTs on them, whereas the (001) facets result in no growth at all. This observation was further analysed in the content of the adsorption and diffusion of carbon species on distinct BaSrTiO₃ facets, before reaching the conclusion that the formation of CNTs occurs through a metal-free, stack-up process driven by the assembly of the carbon fragments.

Les oxydes de métaux de transition sont d'un grand intérêt en raison du large éventail de propriétés qu'ils présentent. Ils ont potentiellement de nombreuses applications technologiques dans le domaine de l'électronique, reposant en partie sur le développement de dispositifs pour la technologie de l'information nécessitant de les contacter avec des métaux. Ce travail de thèse, basé principalement sur l'utilisation de la spectroscopie de photoémission, porte sur une étude détaillée de l'interface Fe/SrTiO₃ réalisée à température ambiante, dans laquelle nous nous sommes intéressés en particulier aux propriétés structurales et électroniques. Nous montrons que le fer est épitaxié, que sa croissance est en îlots et que les films couvrent entièrement le substrat pour le dépôt de quelques monocouches atomiques. Nous mettons en évidence une réaction du métal avec le substrat lors de la formation de l'interface qui se manifeste par la présence de titane réduit à l'interface. Nous associons cette réduction du titane à la présence de lacunes d'oxygène à l'interface Fe/SrTiO₃. Alors que la hauteur de barrière Schottky attendue pour une jonction abrupte Fe/SrTiO₃(001) est d'environ 1 eV pour les électrons, nous montrons que la présence des lacunes d'oxygène à l'interface abaisse la hauteur de barrière Schottky à environ 0,05 eV. La création de lacunes d'oxygène lors du dépôt de fractions de monocouche de fer sur le SrTiO₃ conduit aussi à une métallisation de la surface du semi-conducteur. Ce mécanisme est relié à la création d'états donneurs chargés positivement associés aux lacunes d'oxygène pendant le dépôt. Pour déterminer le profil de bande dans le substrat nous avons résolu l'équation de Poisson à une dimension dans une approche de la théorie de la fonctionnelle de la densité modifiée, en tenant compte de la couche d'accumulation d'électrons. Confrontant ces calculs avec nos résultats de photoémission nous trouvons que le potentiel de surface présente des inhomogénéités spatiales parallèlement à la surface. / Transition metal oxides are of great interest because of the wide range of properties they exhibit. They have potentially many technological applications in the field of electronics, especially based on the development of devices for information technology requiring contacting these oxides with metals. This thesis work, mainly based on photoemission spectroscopy, is a detailed study of the Fe/SrTiO₃ interface grown at room temperature in which we focus in particular on structural and electronic properties. We show that iron has an epitaxial growth with an island morphology and that films completely cover the substrate for the deposition of few atomic monolayers. We demonstrate that the metal reacts with the substrate during the formation of the interface which results in the presence of reduced titanium at the interface. We associate this reduction of titanium with the presence of oxygen vacancies at the Fe/SrTiO₃ interface. While the expected Schottky barrier height for a Fe/SrTiO₃(001) abrupt junction is about 1 eV for electrons, we show that the presence of oxygen vacancies at the interface lowers this Schottky barrier height to about 0.05 eV. The creation of oxygen vacancies during the deposition of fractions of iron monolayer on SrTiO₃ also leads to the metallization of the semiconductor surface. This mechanism is related to the creation of positively charged donor states associated with oxygen vacancies during deposition. To determine the band profile in the substrate, we solved the one-dimensional Poisson equation in a modified approach of the density functional theory taking into account the electron accumulation layer. By comparing these calculations with our photoemission results, we find that the surface potential has spatial inhomogeneities parallel to the surface.

Le titanate de baryum et de strontium (BaSrTiO3) est un matériau diélectrique de synthèse à forte permittivité possédant la propriété d'être accordable lorsqu'il est soumis à un champ électrique. Ceci est lié à sa structure cristalline à maille perovskite. Son intégration dans des dispositifs capacitifs est donc prometteuse pour l'industrie de la microélectronique. Il est déposé en couches minces par pulvérisation cathodique à partir de cibles pressées à froid au sein du laboratoire. L'étude de la croissance du matériau, dopé ou non, et de ses propriétés électriques à 100 khz ont permis d'envisager une montée en fréquence. Les évolutions de la permittivité diélectrique complexe et de l'accordabilité du matériau ont ainsi pu être étudiées sur un dispositif spécifique dans une gamme de fréquences allant de 1 à 60 ghz. L'utilisation d'un logiciel de simulation numérique par éléments finis (ELFI) dans le cadre de l'étude à haute fréquence permet de remonter aux caractéristiques propres du matériau, et ainsi d'interpréter plus finement les résultats issus de l'étude en basse fréquence. L'ensemble des connaissances acquises permet finalement de développer des dispositifs à capacité variable qui sont actuellement en cours d'élaboration au sein du laboratoire. / The barium and strontium titanate (BST) is a human made dielectric material with a high dielectric constant which is tunable once submitted to an electric field. This is due to its crystalline structure based on a perovkite mesh. Its integration into capacitive devices is thus fully promising for microelectronic industry. The material is deposited by RF magnetron sputtering from cold pressed targets made in the laboratory. Studying the growth of the material, doped or not, and its electrical properties at 100 kHz has allowed increasing frequency. The variations of the complex permittivity and tunability have thus been studied on a range of frequencies from 1 to 60 GHz. Using the numerical simulation software Elfi enables one to get a good estimation of the intrinsic properties of BST and a sharper explanation of the results obtained at low frequencies. This knowledge finally allows engineering in varactor devices, which is now in progress.

Ce travail de thèse porte sur l’étude et la réalisation d'une nouvelle génération de capteurs ultrasonore dédiés à la caractérisation des gaz de fission. Plus généralement, ces études concernent le développement de l’instrumentation du réacteur d’essai des matériaux Jules Horowitz (RJH), visant entre autre à effectuer le contrôle in situ de la composition du gaz libéré afin d’optimiser la durée de vie du combustible et le taux de combustion. La température de fonctionnement de ce nouveau réacteur devant se situer dans la plage entre 200 °C à 400 °C, la principale problématique concerne donc le développement d’un matériau piézoélectrique, capable de fonctionner dans la plage de température requise, et son intégration à un dispositif de détection.Nous proposons l’utilisation du sodium titanate de bismuth (NBT) développé par la méthode de la sérigraphie. Dans le but d'optimiser les conditions de fabrication des matériaux, plusieurs versions de matériaux piézoélectriques ont été produites au cours de cette thèse. Chacun des matériaux a été caractérisé (paramètres morphologiques, chimiques, électriques, diélectriques, piézoélectriques et électromécaniques) et des tests en fonction de la température ont été conduits. Après avoir démontré une bonne répétabilité dans la production du matériau, le protocole de fabrication des capteurs a été déterminé et un prototype de capteur ultrasonore a été réalisé.Ces capteurs ont été fabriqués par dépôt du matériau actif sur un substrat d'alumine. Après caractérisation des propriétés des capteurs, des essais ont montré une sensibilité acoustique importante à température ambiante. De plus, la possibilité d'une détection de gaz sur une gamme de pression de 50 à 70 bars a été démontrée par l'intégration d’un capteur dans une enceinte. Pour vérifier la possibilité d'application du capteur à la détection de gaz dans des environnements hostiles (haute température), un modèle théorique basé sur les propriétés électromécaniques et les équations d’adaptation d’impédance a été introduit. Il a été démontré théoriquement que le capteur est capable d'effectuer des mesures de gaz de la température ambiante jusqu’à 350 °C. / This Ph.D. thesis is dedicated to the development of a new generation of ultrasonic sensors devoted to fission gas characterization. More generally, these studies concern the development of instrumentation for the Jules Horowitz material testing reactor (JHR) aiming to perform in-situ control of the released gas composition for optimization of burn-up rate and fuel rod lifetime. The operation temperature of this new reactor will be in the range of 200 °C - 400 °C. Hence, the main problem concerns the development of piezoelectric material, able to operate in the required temperature range, and its integration with a sensor device.To resolve this problem, we propose to use the sodium bismuth titanate (NBT) ceramic material developed by the screen-printing technique. Several versions of piezoelectric materials were produced during this research, with the purpose of optimizing material manufacturing conditions Each material was characterized (morphological, chemical, electric, dielectric, piezoelectric and electromechanical parameters) and “tests as a function of temperature” were carried out. After demonstrating repeatability in material fabrication, the protocol for NBT sensor production was determined and a prototype of the ultrasonic sensor was fabricated.The sensor was fabricated by deposition of an active material onto an alumina substrate. After characterization of sensor properties, acoustic tests showed a high sensitivity of measurements at ambient temperature (25 °C). Furthermore, by integration of sensors into a pressurized enclosure the possibility of gas detection in the range from 50 to 70 bars was demonstrated. To verify the sensor’s applicability to gas detection under harsh temperature environment, a theoretical model based on electromechanical properties and impedance matching equations was introduced. It was theoretically demonstrated that the sensor is able to perform gas measurements from ambient temperature up to 350 °C.