Ce mémoire concerne l'élaboration de couches minces par ablation laser femtoseconde (Pulsed Laser Deposition, PLD) et la caractérisation du panache plasma. Les résultats obtenus pour le dépôt de couches minces de Diamond-Like Carbon (DLC) sont présentés avec l'objectif de déposer des couches à grande dureté et faible coefficient de frottement, avec de bonnes propriétés d'adhérence sur divers substrats d'intérêt biomédical. Des couches minces ont pu être déposées avec succès sur une tête fémorale de prothèse de hanche. Les propriétés des DLC élaborés par PLD femtoseconde et nanoseconde PLD ont été comparées au travers des propriétés optiques des films et d'une caractérisation du plasma.<br>Des nanoparticules ont été déposées par PLD femtoseconde, et incluses dans une matrice DLC. Des films de DLC dopés au nickel ou tantale (en raison de leur différente affinité chimique avec le carbone) ont été synthétisés. Deux différentes phases cristallines sont obtenues dans le cas du DLC dope Ta, avec la présence surprenante d'une phase métastable β-Ta, qui est corrélée aux propriétés du plasma. La présence de carbure de tantale est également mise en évidence sur les bords des clusters de tantale.<br> Les films de DLC pur et de DLC dopé aux métaux sont caractérisés pour l'application aux électrodes pour biocapteurs, avec une sensibilité élevée et une faible limite de détection. L'optimisation avec l'incorporation d'un autre dopant, tel que le bore est discutée.<br> La possibilité d'utiliser ces couches de DLC dopé au bore pour des capteurs thermiques et nanocalorimétriques est étudiée dans le cadre d'un projet ANR. Les thermomètres à base de DLC avec un fort TCR (Coefficient de Température de Resistance) sont intégrés dans des structures suspendues, et montrent de bonnes propriétés.<br> Dans la dernière partie de ce mémoire, les perspectives envisagées pour ce travail sont présentées, avec l'introduction d'une mise en forme temporelle de l'impulsion laser femtoseconde et d'une boucle adaptative d'optimisation. Ces premiers travaux mettent bien en évidence les potentialités de cette technique, pour le dépôt couches minces et la synthèse de nanoparticules, permettant un contrôle de la nature et de l'énergie cinétique des particules du plasma. La suite de ce travail envisage donc de mieux comprendre les effets d'une mise en forme temporelle de l'impulsion laser femtoseconde sur les propriétés des produits d'ablation et donc des couches minces élaborées.

Les méthodes de croissance de couches minces dites « pulsées » présentent certaines spécificités, notamment la présence d'espèces très énergétiques venant se déposer à la surface du substrat. L'ablation laser (PLD) est à ce jour la technique pulsée la plus connue et permet de former des couches minces de composés complexes, et d'oxydes particulièrement. Mais la méthode atteint ses limites dans le cas de cibles de matériaux peu absorbants à la longueur d'onde laser comme les semi-conducteurs à large bande interdite. L'ablation par faisceau pulsé d'électrons (PED) est une technique de croissance encore peu connue et très similaire à la PLD. L'objectif de ce travail est de maîtriser les paramètres de la PED pour obtenir des couches minces présentant un intérêt pour des applications en microélectronique. Chaque étape du processus de dépôt a fait l'objet d'une étude et d'une comparaison avec la PLD. La modélisation de l'interaction électron-matière a permis d'obtenir l'évolution de la température de la cible soumise au bombardement par les électrons. Le plasma d'ablation a été étudié en détail grâce à la spectroscopie d'émission optique et à l'imagerie rapide afin notamment de connaître l'énergie des espèces du plasma. Le matériau choisi pour ce travail est l'oxyde de zinc (ZnO). Des films minces de ZnO ont été formés par PED et l'étude montre que ces couches sont de bonne composition chimique et que la qualité cristalline des couches est équivalente aux films formés par PLD nanoseconde. Ces couches sont transparentes à plus de 80% dans le visible et assez conductrices pour imaginer des applications en tant qu'oxyde transparent conducteurs par exemple.

L'oxyde de vanadium V2O3, qui est le prototype des systèmes fortement corrélés, isostructural du corindon α-Al2O3, possède une phase métallique paramagnétique à la température ambiante. En dessous de 150K, une transition métal-isolant du premier ordre est observée et, est associée à une transition magnétique et structurale. <br>L'objectif de ce travail de thèse consiste à synthétiser et à caractériser du point de vue structural et physique des films minces du composé V2O3, déposés par ablation laser pulsé, sur des substrats de saphir (0001-Al2O3). L'influence de la contrainte induite par le substrat et l'épaisseur, sur les propriétés du matériau a été particulièrement étudiée. Pour cela, une étude multi-échelle de la structure et des propriétés de transport électronique a été réalisée. Tout en conservant la structure R-3c du composé massif, il apparaît que les contraintes modifient fortement le comportement électrique de V2O3. Les résultats mettent en évidence une évolution surprenante autour de l'épaisseur critique 220Å. Ainsi, les films épais incompressibles, sont métalliques sur toute la gamme de température et la transition métal-isolant du composé massif est supprimée. En revanche, les films fins présentent une transition métal-isolant, comme le composé massif, en dessous de 150K. Grâce à des mesures sur des microponts, nous avons montré qu'une séparation de phases mésoscopiques permet d'expliquer l'origine de l'évolution macroscopique de la résistivité, ainsi que de la dépendance qualitative en épaisseur.

La spectroscopie de plasma induit par laser ou LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) est une technique analytique élémentaire avec des limites de détection de l'ordre du ppm et ceci sur tous types d'échantillon liquides, solides ou gazeux. Sa simplicité, sa rapidité de mesure et sa versatilité en font une technique très attractive avec un fort potentiel d'application pour le contrôle en ligne, l'environnement ou l'exploration spatiale. Son point faible reste cependant son manque de fiabilité dans l'analyse quantitative, en particulier lors de l'étude de matériaux hétérogènes ou de matrices complexes telles que matériaux organiques. Ce travail de thèse propose une étude des propriétés des plasmas induit par laser sur différentes familles de polymères. Une étude au temps court (~ns) par ombroscopie est tout d'abord présentée, ceci pour de différents paramètres du laser. Un diagnostic complet du plasma par spectroscopie d'émission est ensuite détaillé pour différents délais de détection et montre que la mesure des températures des différentes espèces du plasma permet de vérifier l'hypothèse de l'équilibre thermodynamique local, nécessaire à la mise en place de procédure quantitative telle que la méthode dite sans calibration, tout en optimisant le rapport signal sur bruit de la mesure. Dans nos expériences, cette optimisation est mise à profit pour l'identification de différentes familles de polymères en utilisant, pour le traitement des données, la méthode des réseaux de neurones artificiels. Les résultats obtenus, très prometteurs, permettent d'envisager l'utilisation de la LIBS pour l'identification en temps réel de matières plastiques sur une chaine de tri.

Dans la perspective du développement de vitrages électrochromes « en milieu protonique », des films minces électrochromes à coloration anodique, à base d'oxyde de nickel, ont été synthétisés et caractérisés. Afin d'améliorer la durabilité des films minces à base de NiO, trois approches ont été envisagées. (i)Des films d'oxyde de nickel et d'oxyde mixte nickel/lithium, déposés par PLD (Pulsed Laser Deposition). Nous avons étudié l'influence du lithium sur les propriétés physico-chimiques (‘amorphisation..), et les caractéristiques électrochromes (électrochimique-optique) en milieu aqueux KOH 1M. (ii) Des films composites, préparés par voie chimique (solution), constitués d'une phase amorphe (en diffraction des Rayons X), de composition Ti1-xZnxO2-x□x, englobant des cristallites de NiO de ~ 5 nm de diamètre. Les courbes voltampérométriques révèlent que seule la phase NiO est électrochimiquement active, mais la phase amorphe, grâce aux lacunes anioniques neutres, □x, renforce la tenue mécanique des films déposés sur les substrats FTO/verre. Il s'ensuit que ces films composites sont plus stables au cyclage, en milieu aqueux KOH 1M, que leurs homologues TiO2/NiO. (iii) Des films minces d'oxyde de nickel dopés par du carbone, préparés par une voie sol-gel originale, présentant une remarquable tenue en cyclage (> 25000 cycles en milieu aqueux KOH 1M), jamais observée jusqu'ici pour NiO.

Ce travail concerne l'étude de couches minces de " Diamond-Like Carbon " dopés au bore élaborées par ablation laser femtoseconde et nanoseconde. Un des objectifs de cette étude est d'identifier les applications potentielles de ces films en tant qu'élément actif de capteur (par exemple de température). Le deuxième objectif est de corréler la structure et les propriétés des films minces obtenus avec les procédés de dépôt employés. Le premier chapitre présente les éléments constitutifs des couches minces étudiées : le bore et le carbone. Ce chapitre propose également un état de l'art sur les films de DLC purs et dopés et les méthodes d'élaboration existantes. Le deuxième chapitre traite des méthodes expérimentales adoptées pour l'élaboration et l'étude des films. Le troisième chapitre traite des différentes caractérisations structurales et morphologiques réalisées. Il met en avant la nette différence de structure des films obtenus par les deux procédés de dépôt. De plus, il met en évidence la modification structurale due au bore. Le quatrième chapitre présente l'étude des propriétés électriques et mécaniques, ainsi que du comportement tribologique des films. La différence de structure des couches se traduit par de grandes différences de résistivité mais affecte peu le coefficient de frottement. Le dernier chapitre met en évidence l'hétérogénéité structurale des films de DLC purs et se focalise notamment sur les particularités de leur extrême surface. Celle-ci se révèle moins dense et plus conductrice que le reste du film.

Les films minces de manganites ont un fort de coefficient de température à température ambiante et sont donc potentiellement intéressants pour la réalisation de microbolomètres non refroidis. Cependant, l'étude approfondie du bruit à basse fréquence dans ces matériaux est nécessaire avant d'envisager de réelles applications. Ce travail de thèse a été consacré à l'étude du coefficient de température et du bruit en 1/f dans des couches minces de La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO). Les couches de LSMO étudiées ont été déposées sur deux substrats différents (SrTiO3 et (LaAlO3)0,3(Sr2AlTaO6)0,7) par ablation laser pulsé. La mise en forme des motifs avec différentes géométries a été effectuée par photolithographie et gravure ionique. Les échantillons connectés en quatre points sont mesurés à l'aide d'un amplificateur ayant un très faible niveau de bruit blanc (1,3 nV.Hz-1/2) et une très basse fréquence de recouvrement (10 Hz). Les mesures de diffraction de rayons X, d'aimantation, de magnétorésistance et de R(T) ont permis de connaître les propriétés générales des films. Nous avons cherché à vérifier la relation de Hooge (en fonction de la fréquence, du courant de polarisation et de la géométrie des motifs). Les mesures de bruit dans la gamme de température de 300 à 400 K indique l'absence l'excès de bruit au passage de la transition de phase. Des valeurs de paramètre de Hooge de l'ordre de 1 à 3 ont été mesurées, ce qui place ces résultats parmi les meilleurs publiés. Nous avons enfin estimé les performances d'un microbolomètre à partir de mesure de R(T) et de bruit.

Ce travail concerne l'élaboration de couches minces de DLC (Diamond-Like Carbon) par ablation laser femtoseconde pour une application biomédicale : la prothèse de hanche. Les propriétés structurales, mécaniques et tribologiques des films de carbone ont été caractérisées et une tête sphérique de prothèse de hanche a été revêtue. Ce mémoire se divise en quatre parties : le premier chapitre présente les propriétés du carbone en couches minces, une revue des différentes techniques d'élaboration de ces films et les applications potentielles ou avérées de ces derniers. Le deuxième chapitre est consacré à la description des dispositifs expérimentaux utilisés lors de l'élaboration des revêtements et pour les différentes caractérisations. Le chapitre 3 expose les propriétés structurales, mécaniques et tribologiques pour les films élaborés et permet de valider la capacité de ces couches de ta-C (tetrahedral amorphous-Carbon) à répondre aux exigences du domaine biomédical. Le dernier chapitre est consacré au revêtement d'une tête sphérique de prothèse de hanche de diamètre 22,2 mm. Un décapage ionique in situ préalable au dépôt a été réalisé afin d'améliorer l'adhérence des films sur des substrats métalliques d'intérêt biomédical.

La préparation de surface avant projection thermique est une étape très importante pourl'adhérence des revêtements. Conventionnellement, le dégraissage et le sablage sont les deuxprocédés utilisés pour ce type de préparation, mais l'impact environnemental important de cesprocédés conventionnels, ainsi que les couts désormais associés, et la modification despropriétés des matériaux ductiles ont mené au développement de nouvelles méthodes.Le procédé de texturation par laser est alors apparu comme une alternative intéressante et"propre" à la technique conventionnelle. Ce procédé permet la préparation de la surface parablation de la matière jusqu'à création de microcavités de forme conique à la surface dusubstrat. Cette texturation permet alors d'augmenter la surface de contact entre le matériau etle revêtement et de mieux ancrer mécaniquement le dépôt. Ce procédé permet également letraitement de la surface dans un temps très court, et surtout il n'engendre aucun déchet dansl'environnement.L'approche suivie dans cette étude, a permis de caractériser les effets de chaque paramètreopératoire du laser à travers un protocole d'optimisation par plan d'expériences. La démarcheconsiste, tout d'abord à apprécier le niveau de modifications morphologiques de la surface dusubstrat, ainsi que l'effet thermique induit par l'irradiation laser avant d'évaluer lesperformances des texturations réalisées en termes adhérence et de ténacité d'interface. Cetteapproche a pour objectif de définir les conditions opératoires qui proposent la meilleureadhérence du revêtement et a permis d'atteindre des niveaux supérieurs à ceux proposés parle procédé conventionnel.Enfin, l'analyse de l'impact environnemental du procédé de traitement de surface partexturation laser permet de définir le niveau de respect de l'environnement, de la santé ainsique l'écosystème du procédé en comparaison au procédé conventionnel.

La croissance de couches minces épitaxiées de La0.7Sr0.3MnO3 a été réalisée sur différents substrats, dont SrTiO3 (001), (110), vicinal et Si. La conception de bolomètres et de dispositifs spintroniques est donc envisageable. Différentes techniques de dépôt ont été utilisées: la pulvérisation cathodique, l'ablation laser pulsée, assistée ou non par RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction). Les échantillons ont été caractérisés par diffraction de rayon X, en étudiant particulièrement l'épitaxie et la contrainte dans les couches. Des analyses complémentaires de RHEED, de LEED (Low Energy Electron Diffraction), et de STM/AFM (Scanning Tunneling/Atomic Force Microscopies) ont été également réalisées, ainsi que des mesures de résistivité et d'aimantation en fonction de la température. L'effet de l'orientation du substrat SrTiO3 a ainsi été montré. Trois dispositifs spintroniques utilisant une couche morte, des surfaces vicinales ou l'injection de spin sont finalement présentés.