L’objectif de ces travaux est d’étudier les effets d’une irradiation ultrasonore haute fréquence (500 kHz) sur la synthèse électrochimique de polymères conducteurs en milieu aqueux. Les ultrasons favorisent la réaction de polymérisation électrochimique en augmentant le transport des espèces électroactives vers l’électrode. Ils engendrent des films plus compacts, présentant une topographie plus fine et plus homogène. Les effets chimiques engendrés par la propagation de l’onde acoustique permettent un meilleur taux de dopage des films. Néanmoins, leur conductivité électrique se trouve légèrement diminuée, dû à une dégradation des chaînes polymères par l’activité cavitationelle. La possibilité de contrôler les propriétés de morphologie fut mise à profit dans différentes applications comme celles des capteurs pH potentiométriques ou des revêtements anti-corrosion. Pour de telles applications, utilisant ces films en tant que couche fonctionnelle, les surfaces obtenues en présence d’irradiation ultrasonore mènent à de meilleurs résultats. Une technique de masquage sélectif à base d’ultrasons focalisés a également été développée afin d’élaborer un substrat biphasique laissant présager d’intéressantes applications biologiques / This study deals with the effects of high frequency ultrasound (500 kHz) irradiation on the electrochemical synthesis of conducting polymers in aqueous media. Ultrasound favors electrochemical polymerization reaction by improving mass transfer of electroactive species towards the electrode. It leads to films more compact, presenting a thinner and more homogeneous topography. Chemical effects generated by the acoustic wave propagation enable a higher doping level for the films. However, their electrical conductivity is slightly reduced, due to partial degradation of polymer chains by cavitational activity. The possibility to control morphological properties was used in different applications such as potentiometric pH sensors or anti-corrosion coatings. For such applications, using these films as functional layers, the irradiated coatings lead to better results. A selective masking technique, based on focused ultrasound, has been developed as well in order to elaborate a biphased substrate permitting interesting biological applications

Cette thèse concerne l’étude des procédés de fabrication des grilles HKMG des technologies FDSOI 14 et 28 nm sur les performances électriques des transistors MOS. Elle a porté spécifiquement sur l'aspect fiabilité et la maîtrise du travail de sortie effectif (WFeff), au travers de la diffusion des additifs comme le lanthane (La) et l’aluminium (Al). Ce travail combine des techniques de caractérisation électriques et physico-chimiques et leur développement. L'effet de l'incorporation de ces additifs sur la fiabilité et la durée de vie du dispositif a été étudié. Le lanthane dégrade les performances de claquage TDDB et de dérives suite aux tests aux tensions négatives. L’introduction d’aluminium améliore le claquage TDDB, mais dégrade les dérives aux tensions positives. Ces comportements ont été reliés à des mécanismes physiques. Par ailleurs, la diffusion de ces additifs dans l’empilement de grille a été étudiée pour différents matériaux high-k en fonction de la température et de la durée de recuit de diffusion. Les doses d’additifs ont pu être ainsi mesurées, comparées et corrélées au décalage de travail de sortie effectif de grille. On a également étudié, les influences des paramètres du procédé de dépôt de grille TiN sur leur microstructure et les propriétés électriques du dispositif, identifiant certaines conditions à même de réduire la taille de grain ou la dispersion d’orientation cristalline. Toutefois, les modulations obtenues sur le travail de sortie effectif de grille dépendent plus du ratio Ti/N, suggérant un changement du dipôle à l'interface SiO2 / high-k. Enfin, une technique éprouvée de mesure de spectroscopie à rayon X sous tension a pu être mise en place grâce des dispositifs spécifiques et une méthodologie adaptée. Elle permet de mesurer les positions relatives des bandes d’énergie à l'intérieur de l’empilement de grille. Cette technique a démontré que le décalage du travail de sortie effectif induits par des additifs (La or Al) ou par des variations d'épaisseur de grille métallique TiN provient de modifications du dipôle à l'interface SiO2/ high-k. / This Ph.D. thesis is focused on the impact of the 14 and 28 nm FDSOI technologies HKMG stack processes on the electrical performance of MOS transistors. It concerns specifically the reliability aspect and the engineering of effective workfunction (WFeff ), through diffusion of lanthanum (La) and aluminum (Al) additives. This work combines electrical and physicochemical characterization techniques, and their development. The impact of La and Al incorporation, in the MOS gate stack, on reliability and device lifetime has been studied. La addition has a significant negative impact on device lifetime related to both NBTI and TDDB degradations. Addition of Al has a significant negative impact on lifetime related to PBTI, but on the contrary improves the lifetime for TDDB degradation. These impacts on device lifetime have been well correlated to the material changes inside the gate oxides. Moreover, diffusion of these additives into the HKMG stack with annealing temperature and time has been studied on different high-k materials. The diffused dose has been compared with the resulting shift in effective workfunction (WFeff), evidencing clear correlation. In addition, impact of TiN metal gate RF-PVD parameters on its crystal size and orientation, and device electrical properties has been studied. XRD technique has been used to obtain the crystal size and orientation information. These properties are significantly modulated by TiN process, with a low grain size and a unique crystal orientation obtained in some conditions. However, the WFeff modulations are rather correlated to the Ti/N ratio change, suggesting a change in the dipole at SiO2/high-k interface. Lastly, using specific test structures and a new test methodology, a robust and accurate XPS under bias technique has been developed to determine the relative band energy positions inside the HKMG stack of MOS devices. Using this technique, we demonstrated that WFeff shift induced by La and Al or by variations in gate thickness originates due to modifications of the dipole at SiO2/high-k interface.

O presente trabalho visou à valorização da fibra lignocelulósica de sisal, focando principalmente em seu componente majoritário, a celulose, através da síntese de ésteres de celulose e também na preparação de diferentes materiais. A escolha dessa fonte lignocelulósica deveu-se a sua disponibilidade no país, sendo o Brasil o maior produtor e exportador mundial, e por se tratar de uma fonte de fibras com alto teor de celulose e de curto ciclo de crescimento. A síntese de ésteres de celulose com diferentes tamanhos de cadeia (acetatos, butanoatos e hexanoatos) e grau de substituição (GS) foi explorada, em meios homogêneo e heterogêneo, visando à identificação de condições que levassem aos melhores rendimentos. Em meio homogêneo, utilizando DMAc/LiCl como sistema de solvente e anidridos ácidos como agentes esterificantes, a síntese de ésteres de celulose com diferentes tamanhos de cadeia e GS (0,2-3,0) foi possível, apenas ajustando-se a razão MolAnidrido/MolCelulose. Em meio heterogêneo, diferentes rotas de síntese foram exploradas. Com o uso do sistema anidrido ácido/iodo metálico (catalisador), apenas ésteres de cadeia curta (acetatos) puderam ser obtidos com alta eficiência. Na busca de rotas alternativas para a obtenção de ésteres de cadeias mais longas, o uso de cloreto ácido e piridina (como meio reacional e como catalisador nucleofílico, respectivamente) levou à obtenção de butanoatos de celulose completamente substituídos, em apenas 30 minutos. Posteriormente, os ésteres de celulose, preparados em meio homogêneo, foram considerados como materiais de partida na preparação de filmes e biocompósitos [ésteres de celulose/celulose (0-20%)], também utilizando DMAc/LiCl como sistema de solvente. Os resultados de análise dinâmico- mecânica (DMA) e ensaios de tração revelaram que, de modo geral, a introdução de celulose levou a biocompósitos com propriedades superiores em relação aos filmes sem celulose. Resultados superiores de módulo de armazenamento e resistência à tração foram obtidos com a consequente geração de materiais que apresentaram valores superiores de Módulo de Tração e menor alongamento na ruptura. Por exemplo, biocompósitos a partir de butanoato de celulose (GS 1,8) com 20% de celulose mostraram valor de módulo de armazenamento (675 MPa) quase 4x maior que o mesmo filme sem reforço (195 MPa). Para os filmes a partir de hexanoatos de celulose (GS 1,8), a adição de celulose aumentou a resistência à tração em até 1 unidade (15% de celulose), em relação ao filme sem reforço. Por meio do uso de técnicas avançadas de caracterização de superfície (XPS e ToF-SIMS), pôde-se estudar a distribuição dos grupos ésteres nas superfícies dos filmes, assim como a influência da variação do tamanho da cadeia do éster, GS e da presença da celulose nesta distribuição. Em linhas gerais, quando a cadeia lateral manteve-se constante (butanoatos), os resultados de XPS revelaram um aumento na contribuição do carbono alifático com o aumento do GS. Em relação à cobertura superficial por cadeias alifáticas dos grupos ésteres, os resultados de XPS indicaram uma maior concentração de celulose na superfície da matriz do biocompósito preparado a partir de acetato de celulose. Por outro lado, para os ésteres de cadeias maiores (butanoatos e hexanoatos de celulose), os resultados de XPS apontaram que a celulose estaria majoritariamente presente nas camadas mais internas, gerando um maior recobrimento da superfície dos biocompósitos pelos grupos ésteres da matriz. De acordo com os dados de ToF-SIMS, os grupos ésteres se distribuíram de maneira uniforme ao longo das superfícies dos filmes e biocompósitos. Posteriormente, após uma exploração de diversas condições de pré-tratamento na massa celulósica, as quais visaram condições ótimas para a dissolução da celulose em sistema aquoso de NaOH/Uréia e posterior coagulação em meio ácido, microesferas de celulose de sisal foram preparadas com sucesso. Essas microesferas de celulose apresentam potencialidade de aplicação em diversas áreas, como na liberação controlada de fármacos e cromatografia. Na etapa final, a fibra lignocelulósica e a celulose de sisal foram consideradas como materiais de partida em um estudo envolvendo a técnica de eletrofiação a temperatura ambiente, utilizando ácido trifluoroacético (TFA) como solvente. A partir do uso dessa técnica, a dissolução da fibra lignocelulósica e sua posterior reconstrução levou a formação de fibras ultrafinas (120 a 510 nm). A eletrofiação da celulose de sisal levou a formação de fibras ultrafinas e nanofibras (<100 nm), em um amplo intervalo de diâmetros, apenas ajustando-se a vazão da solução. Os resultados obtidos neste trabalho abrem uma vasta gama de possíveis aplicações, nas quais as fibras ultrafinas e nanofibras, preparadas a partir da biomassa lignocelulósica, podem ser empregadas, tais como membranas, filmes em estruturas do tipo sanduíche ou mesmo como reforço em compósitos. Através do presente trabalho, diferentes tipos de materiais foram preparados, a partir da fibra lignocelulósica e da celulose de sisal, ampliando as possibilidades de aplicação destes materiais em diversas áreas. / The present investigation aimed at the valorization of the lignocellulosic sisal fiber, mainly focusing on its main component, i.e. cellulose, through the synthesis of cellulose esters and preparation of different materials. This lignocellulosic source was chosen due to its availability in the country since Brazil is the largest producer and exporter worldwide and also because this lignocellulosic source has a high cellulose content and a short life cycle. The synthesis of cellulose esters with varied chain lengths (acetates, butanoatos and hexanoates) and degree of substitution (DS) was explored in homogeneous and heterogeneous media in order to identify the conditions that led to better yields. In the homogeneous medium, by using DMAc/LiCl as the solvent system and acid anhydrides as the esterifying agents, the synthesis of cellulose esters with varied chain lengths and DS (0.2-3.0) was possible by only adjusting the MolAnhydride/MolCellulose ratio. In the heterogeneous medium, different synthesis routes were explored. By using acid anhydride/metallic iodine (catalyst) as the system, only short-chain cellulose esters (acetates) could be obtained with high efficiency. In the search for new routes to obtain cellulose esters with longer chains, completely substituted esters (GS 3.0) were obtained by using acid chloride and pyridine (as the reaction medium and nucleophilic catalyst) in just 30 minutes. Afterwards, by using the same solvent system (DMAc/LiCl), cellulose esters prepared in a homogeneous medium were used as starting materials in the preparation of films and biocomposites [cellulose ester/cellulose (0-20 wt%)]. The results of dynamic-mechanical analysis (DMA) and tensile tests revealed that, in general, the cellulose loading led to biocomposites with superior properties than the films without cellulose. Thus, higher values of storage modulus and tensile strength were obtained, which consequently led to materials with higher Young Modulus and lower elongation at break. For example, biocomposites from cellulose butanoate (GS 1.8) with 20 wt% of cellulose showed a storage module value (675 MPa) almost 4 times higher than the film without cellulose (195 MPa). For the cellulose biocomposites from cellulose hexanoate (GS 1.8), the cellulose loading increased the tensile strength up to 1 unit (15 wt% cellulose) comparatively to the film without cellulose. By means of advanced techniques of surface characterization (XPS and ToF-SIMS), the distribution of the cellulose ester groups along the films/biocomposites surfaces were studied as well as the influence of the different cellulose esters chain lengths, DS and presence of cellulose on that distribution. XPS results revealed an increase in the contribution of the aliphatic carbon as the DS increased when the side chain remained constant (butanoates). Regarding the surface coverage by aliphatic chains of the ester groups, XPS results indicated a higher concentration of cellulose on the surface of the biocomposite prepared from cellulose acetate as its matrix. Conversely, for the cellulose esters with longer chains (butanoates and hexanoates), XPS results pointed that the cellulose was mostly present in the inner layers, which generated a higher surface coverage of these biocomposites\' surfaces by the aliphatic chains of the ester groups. According to the ToF- SIMS results, the esters groups were evenly distributed on the surface of the films and biocomposites. Thereafter, beads from sisal cellulose were successfully prepared after an exploration of various pre-treatment conditions on the cellulosic mass, where optimal conditions were found to lead to complete cellulose dissolution in NaOH/Urea aqueous system followed by coagulation in acid medium. Cellulose beads present a high potential of application in several areas, for example in controlled drug delivery and chromatography. At the final stage of this work, the lignocellulosic sisal and sisal cellulose fibers were used as starting materials in a study involving the electrospinning technique at room temperature, by using trifluoroacetic acid (TFA) as solvent. Through this technique, the lignocellulosic fiber dissolution and later reconstruction led to ultrathin fibers (120 to 510 nm). The electrospinning of sisal cellulose led to ultrathin fibers and nanofibers (<100 nm) in a wide interval of diameters, by only varying the solution flow rate. The results obtained in this investigation open a wide range of possible applications, in which the ultrathin and nanofibers prepared from the lignocellulosic biomass can be used, such as membranes, sandwich-type structure of films or as reinforcement in composite materials. Through the present work, different materials were prepared from the lignocellulosic sisal and sisal cellulose fibers, which contributed to expand the possibilities of application of these materials in diverse areas.

La synthèse de nanoparticules d’oxydes de titane par pyrolyse laser est étudiée dans ce mémoire. Cette technique de synthèse en voie gaz originale nous permet de modifier de manière souple les conditions de réaction et d’obtenir en une seule étape de synthèse des nanoparticules de taille, composition chimique et structure cristallographique contrôlées.Lors de cette étude, deux voies ont été envisagée afin de synthétiser des nanoparticules d’oxydes de titane présentant une absorption dans le domaine du visible. D’une part la synthèse de dioxyde de titane (TiO2) dopé azote et d’autre part, la synthèse d’oxydes de titane moins oxydés que le TiO2.Premièrement, la synthèse de nanoparticules de dioxyde de titane est réalisée grâce à l’utilisation du tetraisopropoxyde de titane comme précurseur. La pyrolyse laser nous permet de contrôler la phase de TiO2 obtenue, anatase ou rutile. Puis, en employant l’ammoniac comme dopant, nous avons pu synthétiser du TiO2 anatase dopé azote, présentant une absorption dans le visible.Deuxièmement, en modifiant les paramètres de synthèse, il a été possible de synthétiser des phases de Magnéli sous forme de nanoparticules, présentant également une absorption dans le visible. Il a également été possible d’obtenir à pression atmosphérique la phase TiO2-II, qui est une phase haute pression du TiO2, par oxydation d’une des phases de Magnéli. Troisièmement, en employant l’effet réducteur de l’ammoniac nous avons réussi à synthétiser des nanoparticules d’oxynitrures de titane Ti(O,N). Une étude poussée par diffraction de rayons X, spectroscopie d’absorption des rayons X, spectroscopie de photoélectrons X, spectroscopie de perte d’énergie électronique ainsi qu’une étude en température, nous ont permis de bien caractériser la structure de cette phase peu commune. De plus, les propriétés optiques se sont révélées très intéressante, puisque le matériau subit une transition métal/semi-conducteur selon son oxydation et présente une absorption très importante dans la région du visible.Enfin, les nanoparticules de TiO2 et de TiO2 dopées azote ont été employées pour l’élaboration de cellules solaire tout solide à colorant organique. Les premiers résultats montrent d’une part que la morphologie des ces nanoparticules est adaptée à leur emploi pour ce type de dispositifs, avec des rendements proche de l’état de l’art mondial. Et d’autre part, que le dopage à l’azote permet de collecter une quantité de photons plus importante grâce au domaine d’absorption de ces nanoparticules et de générer une densité de courant plus élevée. / The synthesis of titanium oxide nanoparticles by laser pyrolysis is studied in this work. This original gas phase technique is a versatile method which allows us to obtain a one-step synthesis of nanoparticles of controlled size, chemical composition and crystalline structure.In this study, two approaches have been proposed to synthesize titanium oxides nanoparticles with absorption in the visible range. In the first place, the synthesis of nitrogen doped titanium dioxide (TiO2) and second, the synthesis of less oxidized titanium oxides than TiO2.First, the synthesis of titanium dioxide nanoparticles is achieved through the use of titanium tetraisopropoxide as a precursor. The laser pyrolysis allows us to control the obtained TiO2 phase, anatase or rutile. Then, using ammonia as a dopant, we were able to synthesize nitrogen doped TiO2 anatase, with an absorption in the visible.Second, by changing the synthesis parameters, it was possible to synthesize nanoparticles of Magnéli phases, also having absorption in the visible. It was also possible to obtain under atmospheric pressure the TiO2-II phase, a high-pressure phase of TiO2 by oxidation of one of the Magnéli phases.Third, using the reducing effect of ammonia we were able to synthesize titanium oxynitrides, Ti(O,N). A detailed study by X-ray diffraction, X-ray absorption spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, electron energy loss spectroscopy and a study in temperature, allowed us to characterize the structure of this unusual phase. In addition, the optical properties were very interesting, since the material undergoes a transition metal/semiconductor depending on its oxidation and has a very high absorption in the visible region.Finally, the TiO2 nanoparticles and nitrogen doped TiO2 were used for the development of solid state, dye-sensitized solar cells. Initial results show that the morphology of these nanoparticles is suitable for their use for such devices, with yields close to the world state of the art. Secondly, it shows that the nitrogen doping allows to collect a larger amount of photons, through the area of absorption of these nanoparticles and to generate a higher current density.

Ce travail de thèse est centré sur l’étude de matériaux LiMPO4 (M=Fe, Mn, Co) et de leur évolution en cyclage (processus rédox et interfaces électrode / électrolyte) dans des accumulateurs Li-ion. Il a été mené essentiellement sur la base d’analyses en spectroscopie photoélectronique à rayonnement X (XPS) couplées à des tests électrochimiques. Une oxydation de surface du phosphate LiFePO4 a été mise en évidence lors d’une exposition à l’air de ce matériau avec la formation d’impuretés de surface type Fe2O3. Au plan structure électronique, l’analyse des bandes de valence des matériaux LiMPO4 (M=Fe, Mn, Co) a notamment permis, pour LiFePO4, la visualisation de l’électron spin down du niveau Fe 3d amenant la première preuve expérimentale de la configuration électronique particulière (3d↑)5(3d↓)1 de Fe2+dans ce matériau. Ce travail a également contribué à mieux comprendre l’influence de la température de fonctionnement ainsi que de la nature de l’électrode négative sur les mécanismes de vieillissement des accumulateurs Li-ion. Pour les accumulateurs LiFePO4 // Graphite, la comparaison d’interfaces solide/électrolyte distribuées spatialement a montré que le vieillissement se caractérisant par la perte de lithium actif pouvait être mis en parallèle avec une hétérogénéité de fonctionnement de l’électrode positive. Enfin, l’extension des travaux aux matériaux prometteurs d’électrode positive Li(FeMn)PO4 a révélé que le potentiel de travail de fin de charge plus élevé pour le phosphate mixte, comparativement à LiFePO4, résultait dans une réactivité accrue vis-à-vis de l’électrolyte dont les conséquences ont été analysées. / This thesis is focused on the study of LiMPO4 (M = Fe, Mn, Co) materials and on their evolution upon cycling (redox process end electrodes / electrolyte interfaces) in lithium ion cells. It is based on X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analyses coupled with electrochemical tests. During air exposure, a surface oxidation of phosphate LiFePO4 was observed that lead to the formation of surface impurities such as Fe2O3. Concerning electronic structure, the analysis of LiMPO4 (M=Fe, Mn, Co) materials valence spectra allowed for LiFePO4 the visualization of spin down Fe 3d electron which is the first experimental proof of the particular electronic configuration (3d↑)5(3d↓)1 of Fe2+ in this material. This work also allowed a better understanding of the effect of the working temperature as well as the nature of the negative electrode on Li-ion cells ageing mechanisms. For LiFePO4 // Graphite cell, the comparison of spatially distributed solid/electrolyte interfaces showed that ageing mechanisms, characterized by a loss of active lithium, could be associated with a heterogeneity of working of the positive electrode. In addition, the extension of these studies on new promising Li(FeMn)PO4 materials for positive electrode showed that higher working potential of mixed phosphate material compared to LiFePO4 material leads to a higher electrolyte reactivity which consequences were analysed.

Les éléments capables de former un alliage avec le lithium, tels que le silicium ou l’étain constituent des composés très prometteurs en tant que matériaux d’électrodes négatives pour la prochaine génération d’accumulateurs Li-ion. Un point important réside dans la compréhension des phénomènes se produisant aux interfaces électrode/électrolyte de ces nouveaux matériaux, la stabilité de la couche de passivation (SEI) se formant lors du cyclage en surface des électrodes constituant un élément primordial vis-à-vis des performances de la batterie. A côté des processus de lithiation et delithiation du matériau actif au cours du cyclage, il est important de mieux connaître la nature, la formation et l’évolution de la SEI de même que l’évolution des oxydes natifs de surface et la réactivité chimique de l’électrode au contact de l’électrolyte. Dans ce travail de thèse, pour mieux connaître et comprendre ces différents processus, nous avons développé une approche d'analyse non destructive à différentes profondeurs de la surface de matériaux d’électrodes. Les analyses ont été réalisées par spectroscopie photoélectronique à rayonnement X (XPS), la modification d’énergie du rayonnement incident permettant une variation de la profondeur d'analyse. Cette méthodologie a été utilisée pour sonder les phénomènes aux interfaces d’électrodes à base de silicium et d’étain. Les mécanismes se produisant lors du premier cycle électrochimique puis au cours d’un long cyclage d’électrodes à base de silicium cyclées avec le sel classique LiPF6 puis avec un nouveau sel très prometteur, LiFSI ont été analysés et discutés. L’étude a été étendue à un nouveau composé intermétallique à base d’étain: MnSn2. / Compounds forming alloys with lithium, such as silicon or tin, are promising negative electrode materials for the next generation of Li-ion batteries and an important issue is to better understand the phenomena occurring at the electrode/electrolyte interfaces of these materials. The stability of the passivation layer (SEI) is crucial for good battery performance and its nature, formation and evolution have to be investigated. It is also important to follow upon cycling alloying/dealloying processes, the evolution of surface oxides with battery cycling and the change in surface chemistry when storing electrodes in the electrolyte. The aim of this thesis is to improve the knowledge of these surface reactions through a non-destructive depth-resolved photoelectron spectroscopy analysis of the surface of new negative electrodes. A unique combination utilizing hard and soft-ray photoelectron spectroscopy allows by variation of the photon energy an analysis from the extreme surface to the bulk of the particles. This experimental approach was used to access the interfacial phase transitions at the surface of silicon or tin particles as well as the composition and thickness/covering of the SEI. Interfacial mechanisms occurring upon the first electrochemical cycle and upon long-term cycling of Si-based electrodes cycled with the classical salt LiPF6 and with a new promising salt, LiFSI were investigated as well as the interfacial reactions occurring upon the first cycle of an intermetallic compound MnSn2 were studied.

Les accumulateurs lithium-ion occupent aujourd’hui une place prédominante dans le domaine du stockage de l’énergie. Leur fonctionnement et les phénomènes impliqués dans leur vieillissement sont relativement bien connus, aux températures d’utilisation proches de la température ambiante. Cependant, leur utilisation dans le cadre d’applications dites « haute température », telles que le forage pétrolier, la stérilisation « in situ » ou la géolocalisation, nécessite la levée de certains verrous techniques : la stabilité de l’électrolyte et des liants d’électrodes, la compatibilité électrolyte/séparateur, le vieillissement des matériaux et l’évolution des interfaces. Les accumulateurs sélectionnés pour ces travaux de thèse sont constitués d’un matériau lamellaire de type Li(Ni,Mn,Co)O2 pour l’électrode positive, et de graphite pour l’électrode négative. Afin de décrire les phénomènes de vieillissement associés à une telle utilisation, des analyses de surface ont été menées par Spectroscopie Photoélectronique à rayonnement X sur les électrodes issues d’accumulateurs cyclés à haute température. Ces analyses ont permis de mettre en évidence la dégradation du liant de l’électrode positive et l’évolution des interfaces électrodes/électrolyte à 85 et 120°C, et d’améliorer le choix des composants des batteries pour de meilleures performances à haute température. / Nowadays, lithium-ion batteries occupy a prominent place in the field of energy storage. Phenomena involved in their aging mechanisms are quite well known for operating temperatures close to room temperature. However, their use at high temperatures for applications such as oil drilling, "in situ" sterilization or freight tracking requires some technical issues to be improved: stability of the electrolyte and electrode binders, compatibility electrolyte / separator, aging of active materials and changes of the interfaces. The batteries selected for this thesis consist of a Li(Ni,Mn,Co)O2 lamellar material at the positive electrode and graphite at the negative electrode. To describe aging phenomena related to high temperature, surface analyzes were carried out by X-ray Photoelectron Spectroscopy on the electrodes of batteries cycled at 85 and 120°C. These analyzes reveal the degradation of the positive electrode’s binder, and the changes of electrodes/electrolyte’s interfaces at high temperature compared to ambient temperature.

Depuis une décennie, dans le domaine de la nanomédecine, les recherches s’orientent de plus en plus vers l’élaboration de nanomatériaux multifonctionnels avec l’espoir d’améliorer la précision des diagnostics ou encore l’efficacité des traitements à mettre en place. Dans ce contexte, notre travail visait à mettre en œuvre des nanoparticules hybrides Au@SiO2 de type cœur-coquille associant les propriétés photothermiques de la phase métallique à la fonction délivrance de médicaments du réseau inorganique poreux. Avec le greffage d’obturateurs organiques à l’entrée des pores de la silice, ces assemblages deviennent dès lors de véritables nanosystèmes « mécanisés ». La première partie du travail a donc concerné la synthèse du cœur du nanomatériau (nanoparticules d’or creuses appelées « nanoshells ») réalisée par un procédé de remplacement galvanique. L’influence des paramètres de synthèse sur la morphologie et la structure, sur l’état de surface ainsi que sur les propriétés optiques des nanoparticules a été largement discutée ici. Après la coupe transverse des nanoshells ainsi élaborées, les techniques d’analyse de surface (XPS, AES) ont permis de préciser la formation d’un alliage Ag-Au de composition hétérogène. L’élaboration d’une coquille de silice mésoporeuse autour des cœurs métalliques a ensuite été réalisée. Après avoir démontré le potentiel de ces nanoparticules pour le confinement moléculaire, les nano-objets Au@SiO2 ont finalement été fonctionnalisés par des assemblages supramoléculaires constitués d’un diaminoalcoxysilane (greffé à la surface) en interaction avec un macrocycle. Le couplage spécifique des techniques XPS et RMN a permis de caractériser précisément la fonctionnalisation. Une ouverture à ce travail a été initiée vers des systèmes davantage biocompatibles avec l’élaboration cette fois-ci d’une coquille hybride polymère/silice. Une première série de tests in vitro a permis d’explorer l’impact et l’interaction des nanoparticules avec des cellules de type HaCaT et a montré tout le potentiel de la poly-L-lysine dans cette approche. Cette étude originale propose de nouvelles informations dans l’étude des systèmes nanostructurés avec une caractérisation physico-chimique appropriée qui signale l’importance des phénomènes aux interfaces au sein de l’architecture hybride. Les perspectives visent maintenant à une optimisation fonctionnelle de ces nano-objets pour des applications en nanomédecine. / Nowadays, in the field of nanomedecine, the major challenge is to design multifunctional nanomaterials in order to improve diagnosis and treatment efficiency. In this context, our work has concerned the conception of hybrid Au@SiO2 core-shell nanoparticles combining the photothermal properties of the gold core and the drug delivery function associated with the inorganic porous network. The entrance pore functionalization with gatekeepers leads finally to mecanized nanosystems. The first part of the work has concerned the core material synthesis (hollow gold nanoparticles called « nanoshells ») which has been achieved by a galvanic replacement reaction. The influence of synthesis parameters on the structure, the morphology and on the optical properties has been studied. Moreover, the analysis of a nanoparticle cross-section by XPS and AES has evidenced the formation of a heterogeneous Ag-Au alloy. Then, the growth of a mesoporous silica shell on the metal cores has been conducted leading to Au@SiO2 nanomaterials. After demonstrating the potential of these core-shell nanoparticles for hosting molecules, the nano-objects have been functionalized with supramolecular nanovalves based on a diaminoalkoxysilane (grafted on the silica surface) interacting with a macrocycle. The combination of XPS and NMR allowed us to characterize precisely the functionalization. In a last section, we have been interested in the design of biocompatible systems with the elaboration of a hybrid polymer/silica shell. The in vitro effect and interaction of nanoparticles with HaCaT cells have been studied; the first results have demonstrated a real interest for using poly-L-lysine in these systems. This original study offers new details about the physico-chemical characterization of nanostructured systems which highlights the important role of interfaces in hybrid materials. The perspectives will concern the optimization of the synthesized nanosystems for direct nanomedicine applications.

Les accumulateurs graphite/LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) permettent d’atteindre des densités d’énergie élevées grâce à leur tension de 5V. Toutefois, une dégradation des électrodes et des électrolytes à base d’alkylcarbonates et de LiPF6 a lieu à haut potentiel reste un problème qu’il est nécessaire de résoudre. L’ajout d’additifs fonctionnels à l’électrolyte comme l’AS, l’AM, le FEC ou le LiBOB forme des films de passivation aux interfaces électrode/électrolyte. Ces films réduisent la dégradation des matériaux et de l’électrolyte de l’accumulateur Gr/LNMO. Pour étudier le mécanisme d’action de ces additifs, les interfaces graphite/électrolyte et LNMO/électrolyte ont été caractérisées au moyen de cellules symétriques Gr/Gr et LNMO/LNMO et de cellules complètes. Les interfaces ont été étudié par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) et photoélectronique à rayons X (XPS). De plus, l’électrolyte a été analysé par chromatographie en phase gazeuse liée à la spectrométrie de masse (GC-MS). / Gr/LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) accumulators achieve higher energy densities than current commercial batteries. However, degradation of electrodes and electrolytes based on alkylcarbonates and LiPF6 takes place at high potential remains a problem which it needs to be resolved. The addition of functional additives to the electrolyte such as AS, AM, FEC or LiBOB which form passivation films at the electrode/electrolyte interfaces is a possible solution to these issues. These films reduce the degradation of materials and the oxidation of electrolyte in the Gr/LNMO accumulator. In order to study action mechanism of these additives, graphite/electrolyte and LNMO/electrolyte interfaces were characterized by symmetric Gr/Gr and LNMO/LNMO cells and full cells. Interfaces were investigated by electrochemical impedance spectroscpoy (EIS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) while the electrolyte was analyzed by mass spectrometric gas chromatography (GC-MS).

Depuis l’apparition du circuit intégré, la performance des dispositifs semi-conducteurs est reliée à leur miniaturisation via le développement de procédés spécifiques tels que la lithographie. Néanmoins, la réduction des dimensions des dispositifs aux échelles nanométriques rend les étapes de patterning de plus en plus complexes et coûteuses (EUV, gestion de plusieurs passes de masque par couche et erreur de placement du/des masque(s) …) et pousse les fabricants de puces à se tourner vers des méthodes alternatives. Dans le but de réduire les coûts de fabrication des circuits intégrés, une approche bottom-up reposant sur l’utilisation de procédés de dépôts sélectifs est désormais envisagée, au détriment des approches conventionnelles top-down basées sur les procédés de lithographie. La solution de dépôt par couche atomique (ALD) est une technique appropriée pour le développement d’un procédé sélectif en raison de sa très grande sensibilité à la chimie de surface. Ce procédé est appelé dépôt sélectif de zone (ASD pour Area Selective Deposition). Il est basé sur un traitement spécifique d'activation ou de désactivation des réactions chimiques de surface avec le précurseur et/ou le réactif en mode ALD. Ces modifications de réactivité peuvent être obtenues en utilisant une couche de germination (activation) ou des groupes organiques tels que des monocouches auto-assemblées (SAM) (désactivation). Une autre voie est de tirer parti du retard inhérent à la croissance (ou temps d’incubation) sur différents substrats. Dans cette thèse, nous avons développé un nouveau procédé ASD d’oxyde métallique en combinant un dépôt de couche atomique et une étape de gravure qui permet de bloquer la croissance sur substrat à base de silicium (Si, SiO2 et SiN) versus un substrat métallique (TiN). L'étape de gravure est réalisée par addition de NF3 dans un plasma d'oxygène tous les n cycles du procédé PEALD. Nous avons utilisé ce procédé pour le dépôt de deux oxydes actuellement à l'étude pour les applications de mémoires résistives non-volatiles : Ta2O5 et TiO2. Le but des dépôts sélectifs pour l'application mémoire est de réaliser des points mémoires localisés métal/isolant/métal en intégration 3D verticale dite VRRAM. / At advanced nodes, lithography starts to dominate the wafer cost (EUV, managing multiple mask passes per layer and pattern placement error….). Therefore, complementary techniques are needed to continue extreme scaling and extend Moore’s law. Selective deposition and etching is one of them because they can be used to increase and enhance patterning capabilities at very low cost. From all the different deposition processes, Atomic Layer Deposition (ALD) is maybe the most suitable technique to develop a selective process due to its very good coverage property and its high surface sensitivity. This process is called Area Selective Deposition and is a selective deposition process for bottom-up construction It is usually based on a specific surface activation or deactivation treatment in order to activate or limit / inhibit chemical reactions with the ALD precursor / reactant. This surface modifications are usually obtained by using seed layer (activation) or organic groups such as Self-Assembled Monolayers (SAM) (deactivation). Another pathway for selective area deposition with ALD is to take advantage of the inherent substrate-dependent growth initiation: this is inherent selectivity based on difference of nucleation delay. In this thesis, we have proposed a new ASD process of thin oxide by combining atomic layer deposition and etching step (super-cycle) for a 3D Vertical RAM integration. This allows the selective growth of a thin oxide on a metal substrate without deposition on an insulator and/or a semi-conductor substrate(s). The etching step is achieved by NF3 addition in an oxygen plasma every n cycles of the PEALD process allowing (1) to etch the oxide layer on Si and/or SiO2 surface while keeping few nanometers of oxide on TiN substrate and (2) to passivate this two surfaces and to add a new incubation time on Si or SiO2 substrates. We used this process for the deposition of two oxides that are currently under study for non-volatile resistive memories applications: Ta2O5 and TiO2. The intention for memory application is to realize a crosspoint memory in Back-End level from a pattern area or a trench area without the photolithography step.