Texte remanié de: Th. Ph. D.--University of Edinburgh.

La montée en fréquence des composants électroniques conventionnels tels que les HEMT, grâce aux règles de changement d'échelle, atteint ses limites. C'est dans ce contexte qu'il est intéressant de développer des composants d'architecture différente, comme les dispositifs balistiques, dont les dimensions sont de l'ordre du libre parcours moyen à température ambiante. Cette étude s'inscrit dans l'optimisation technologique et la caractérisation électrique de composants balistiques de la filière InGaAs/lnAlAs pseudomorphique sur substrat d'InP. Les propriétés nonlinéaires des jonctions balistiques à trois branches (TBJ) basées sur une hétérostructure optimisée ont été caractérisées en régime statique. Le fonctionnement des TBJ en redresseur de tension et en doubleur de fréquence a été étudié en hyperfréquence. Une sensibilité de redressement de 0.022mV/µW à 94 GHz en l'absence de polarisation a été obtenue sur des dispositifs à deux jonctions balistiques en parallèle. Le doublement de la fréquence dans le domaine de fonctionnement non linéaire du TBJ a été observé pour un signal sinusoïdal d'entrée à 4GHz, la tension alternative mesurée dans la branche centrale correspondant essentiellement à l'harmonique d'ordre deux à 8GHz. Enfin, des TBJ avec une grille Schottky ont été fabriqués et caractérisés en inverseurs de courant jusqu'à 400kHz. Leur fonctionnement en transistor a été mesuré en hyperfréquences. Une fréquence fT de 30GHz a été obtenue sur un composant dont la largeur de branche sous la grille est 200nm. / The increase of speed in conventional electronic devices, such as in HEMT, with down-scale rules, is reaching limitations. That is why it is interesting to develop devices with a new design such as ballistic devices which have dimensions around the electron me an free path at room temperature. The aim of this study is the technological optimisation and the electrical characterisation of InGaAs/lnAIAs pseudomorphic InP-based ballistic devices. Nonlinear properties of three-terminal ballistic junctions (TBJ) fabricated using an optimised heterostructure have been studied in DC mode. TBJ, which are operating as rectifiers and frequency multipliers, have been characterised in high frequency. A rectifying sensitivity of O.022mV/µW at 94GHz, without a DC bias, has been obtained on devices with two junctions integrated in parallel. Frequency doubling in the nonlinear domain has been shown with an applied sinusoidal signal of 4GHz. voltage measured in the output branch corresponding essentially to the second harmonie at 8GHz. Finally, TBJ with a Schottky gate have been tàbricated and their property of current inversion has been characterised up to 400kHz. Their transistor behaviour has been measured in microwaves. A current gain eut-off frequency fT of 30GHz has been obtained for a device with a branch width under the gate of 200nm.

MISE EN EVIDENCE, EN REGIME DE FORTE EXCITATION, DU DEGRE DE FRAGILITE DU SYSTEME QUASI-PARTICULES<->CONDENSAT DE PAIRES. LES MATERIAUX DE GRANDE DIFFUSIVITE ELECTRONIQUE ONT CANTONNE L'ETUDE A DES SITUATIONS DE QUASI-HOMOGENEITE. EN CE QUI CONCERNE LES PHONONS BALISTIQUES, DES RESULTATS PRECIS ONT ETE OBTENUS: L'ETAT SUPRACONDUCTEUR A T=0 AGIT COMME UN FILTRE PARFAIT DES FREQUENCES JUSQU'A LA CASSURE DES PAIRES DONT LE SEUIL ET L'ANISOTROPIE SONT AINSI MESURABLES; EN FRANCHANT THERMIQUEMENT L'INTERACTION AVEC LES QUASI-PARTICULES, LES DUREES DE VIES LIMITEES PAR LES ELECTRONS ONT ETE OBTENUES MODE PAR MODE. DES MESURES SUR LE NIOBIUM ONT PERMIS DE DONNER UNE VALEUR MOYENNE DU POTENTIEL DE DEFORMATION. APPROCHE SYNTHETIQUE DES MODES POSSIBLES DE LA CONDUCTIVITE ELECTRONIQUE PAR UNE METHODE D'EQUATIONS DE TRANSPORT COUPLEES. CONCLUSION

Le développement de céramiques légères à hautes performances mécaniques et à bas coût à base de silico-alumineux, suscite un intérêt grandissant dans divers domaines d’application tels que la protection balistique. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail a été de développer un matériau innovant susceptible de rivaliser avec les protections balistiques en alumine ou en carbure. Plusieurs voies ont été explorées. Une étude approfondie des compositions de silico-alumineux a permis d’obtenir des matériaux présentant un meilleur compromis masse volumique / module d’Young, et dont le principal avantage est d’utiliser des procédés d’élaboration conventionnels (pressage, coulage sous pression) ainsi que les fours dédiés à la cuisson de la porcelaine par frittage naturel. Afin de renforcer la dureté de surface, des dépôts de carbures ont été réalisés à l’aide d’un protocole qui a permis une bonne accroche du carbure sur le substrat tout en conservant un traitement thermique conventionnel de consolidation. Enfin, des architectures lamellaires ont également été élaborées afin de maximiser les phénomènes de dissipation d’énergie. En bénéficiant d’un différentiel d’expansion thermique entre deux compositions de silico-alumineux, l’apparition de contraintes thermiques résiduelles au refroidissement de l’étape de frittage a permis d’augmenter la valeur de contrainte à la rupture des matériaux à architectures lamellaires de plus de 60%. / The development of lightweight alumino-silicate based ceramics exhibiting high mechanical performances and low cost, shows a growing interest in various application areas such as ballistic protection. In this context, the aims of this study is the development of innovative materials corresponding to competitive ballistic protection comparing to carbide or alumina materials. Several ways were explored. A thorough study of alumino-silicate compositions has allowed to obtain materials with a best compromise density / Young's modulus, the main advantage is the ability to use conventional methods of preparation (pressing, die-casting) and conventional kilns used for the firing of porcelain. To improve the surface hardness, carbide coatings were performed. The original protocol developed leads to carbide coating with good adhesion on the substrate using a traditional thermal treatment method. Finally, lamellar architectures of materials were developed to increase the energy dissipation of failure. Thanks to a differential thermal expansion between the two compositions of alumino-silicates, the occurrence of residual thermal stresses in lamellar materials has increased the average stress of failure values of more than 60%.

Anticiper l’évolution de la microstructure d’un matériau en condition d’usage est d’une importance cruciale pour l’industrie. Cette maîtrise du vieillissement nécessite une compréhension claire des mécanismes sous-jacents, qui agissent sur une large gamme d’échelles spatiales et temporelles. Dans cette optique, ce travail de thèse a choisi d’appliquer la méthode de champ de phase qui, en raison du saut d’échelle qu’elle réalise naturellement, est un outil intensivement employé dans le domaine des matériaux, pour prédire l’évolution en temps long de la microstructure. L’enjeu de l’étude a été d’étendre cette méthode à un système porté loin de l’équilibre thermodynamique, en particulier en présence d’irradiation. Nous avons ainsi adopté le formalisme du mélange ionique, introduit par Gras-Marti pour décrire le mélange balistique au sein d’une cascade de déplacements. Par l’utilisation conjointe d’un schéma numérique et d’une approche analytique, il nous a été possible d’établir le diagramme de phase générique d’un matériau irradié. Nous avons ensuite étudié le vieillissement de l’alliage binaire test AgCu sous irradiation, par l’utilisation conjointe de la méthode du champ de phase et d’approches atomistiques, dans une démarche multi-échelles. En fixant les paramètres de contrôle que sont le flux d’irradiation et la température, il nous a ainsi été possible de prédire la taille,la concentration ainsi que la distribution spatiale des nodules de cuivre produits sous irradiation dans cet alliage. La connaissance de ces informations a permis de simuler un diagramme de diffraction en incidence rasante, directement comparable aux diagrammes expérimentaux. / It is of dramatic matter for industry to be able to predict the evolution of material microstructure under working conditions. This requires a clear understanding of the underlying mechanisms, which act on numerous space and time scales. Because it intrinsically performs a scale jump, we chose to use a phase field approach, which is widely used amidst the condensed matter community to study the aging of materials. The first challenge of this work was to extend this formalism beyond its thermodynamic scope and embrace the case of far from equilibrium systems when subjected to irradiation. For that purpose, we adopted the model of ion mixing, developed by Gras Marti to account for ballistic exchanges within a displacements cascade. Based on a numerical scheme and ananalytical method, we were able to describe the generic microstructure signature for materials under irradiation.We then applied this formalism to the particular case of the immiscible binary alloy AgCu.With the joined use of the phase field approach and atomistic methods, we managed to predict how the temperature and the irradiation flux tailor the main microstructure features such as the size, the concentration and the distribution of copper precipitates. This eventually allowed us to simulate a diffraction pattern in grazing incidence, which is directly comparable to experimental ones.

Je présente dans cette thèse un ensemble de modèles tant analytiques que numériques destinés à décrire la dynamique hors équilibre des phénomènes de transport dans un solide absorbant irradié par un laser pulsé (ns et fs). Bien que ces modèles soient parfaitement généralisables à d'autres types d'interactions rayonnement-matière, ils sont, pour une part importante de cette thèse, utilisés dans le but de modéliser un procédé laser industriel original de fabrication d'une résistance de haute précision (compatible CMOS). Depuis le rayonnement incident, jusqu'au comportement électrique de la résistance fabriquée, la totalité du procédé est modélisée. Dans un premier temps, une description analytique originale d'un problème sans solution exacte (problème de Stephan), permet de déduire les paramètres essentiels décrivant un recuit laser en phase liquide. Puis, grâce à une description numérique des transports énergétiques avec changement de phase et des transports d'espèces minoritaires (dopants), je calcule la distribution transitoire de température au sein du matériau et les profils de concentration des dopants lors d'un recuit laser en phase liquide. La précision des calculs numériques est évaluée expérimentalement grâce à des mesures transitoires de réflectivité et des mesures de concentration dans le dispositif. L'effet de la ségrégation hors équilibre sur les profils de dopants est particulièrement étudié et le comportement original de l'indium lors d'un recuit laser est mis en évidence. Enfin, dans le but de contrôler les différents transports (électronique, thermique) dans les premiers instants de l'interaction entre rayonnement et matière lors d'impulsions laser (fs), j'ai développé des modèles basés sur la double température, décrivant la création de porteurs libres dans le cas du Si et le transport balistique d'énergie par électrons pour les métaux nobles. Les modèles sont validés par des mesures expérimentales de réflectivité et de domaines thermiquement affectés.

Lors d'un tir d'abattage à l'explosif en carrière, l'exploitant est particulièrement intéressé par la blocométrie du tir et donc la fragmentation de la roche. Lorsqu'une roche est soumise à une sollicitation dynamique, trois zones de fragmentation sont expérimentalement observées : une zone de broyage près du chargement, puis une zone de fragmentation multiple et enfin une zone de fragmentation simple. Des essais balistiques et pyrotechniques sont présentés et analysés pour comprendre et modéliser la fragmentation. Les essais sont réalisés sur deux roches calcaires : le calcaire crinoïde et la ``blanche de Beaucaire''. Une comparaison de la fragmentation de ces deux matériaux est réalisée. Une étude analytique permet d'identifier les différents modes d'endommagement lors d'un chargement dynamique de compression. Une loi d'endommagement dynamique en tension couplée à un modèle de plasticité est proposée et permet de simuler les essais. Ce modèle, dans lequel peu de paramètres interviennent, est identifié à partir d'essais quasi statiques. Les simulations permettent d'identifier les paramètres influençant les différentes zones de fragmentation.

Anticiper l’évolution de la microstructure d’un matériau en condition d’usage est d’une importance cruciale pour l’industrie. Cette maîtrise du vieillissement nécessite une compréhension claire des mécanismes sous-jacents, qui agissent sur une large gamme d’échelles spatiales et temporelles. Dans cette optique, ce travail de thèse a choisi d’appliquer la méthode de champ de phase qui, en raison du saut d’échelle qu’elle réalise naturellement, est un outil intensivement employé dans le domaine des matériaux, pour prédire l’évolution en temps long de la microstructure. L’enjeu de l’étude a été d’étendre cette méthode à un système porté loin de l’équilibre thermodynamique, en particulier en présence d’irradiation. Nous avons ainsi adopté le formalisme du mélange ionique, introduit par Gras-Marti pour décrire le mélange balistique au sein d’une cascade de déplacements. Par l’utilisation conjointe d’un schéma numérique et d’une approche analytique, il nous a été possible d’établir le diagramme de phase générique d’un matériau irradié. Nous avons ensuite étudié le vieillissement de l’alliage binaire test AgCu sous irradiation, par l’utilisation conjointe de la méthode du champ de phase et d’approches atomistiques, dans une démarche multi-échelles. En fixant les paramètres de contrôle que sont le flux d’irradiation et la température, il nous a ainsi été possible de prédire la taille,la concentration ainsi que la distribution spatiale des nodules de cuivre produits sous irradiation dans cet alliage. La connaissance de ces informations a permis de simuler un diagramme de diffraction en incidence rasante, directement comparable aux diagrammes expérimentaux. / It is of dramatic matter for industry to be able to predict the evolution of material microstructure under working conditions. This requires a clear understanding of the underlying mechanisms, which act on numerous space and time scales. Because it intrinsically performs a scale jump, we chose to use a phase field approach, which is widely used amidst the condensed matter community to study the aging of materials. The first challenge of this work was to extend this formalism beyond its thermodynamic scope and embrace the case of far from equilibrium systems when subjected to irradiation. For that purpose, we adopted the model of ion mixing, developed by Gras Marti to account for ballistic exchanges within a displacements cascade. Based on a numerical scheme and ananalytical method, we were able to describe the generic microstructure signature for materials under irradiation.We then applied this formalism to the particular case of the immiscible binary alloy AgCu.With the joined use of the phase field approach and atomistic methods, we managed to predict how the temperature and the irradiation flux tailor the main microstructure features such as the size, the concentration and the distribution of copper precipitates. This eventually allowed us to simulate a diffraction pattern in grazing incidence, which is directly comparable to experimental ones.

Cette thèse porte sur le diagnostic de peintures murales masquées par une couche de chaux ou de peintures avec des repeints.Trois méthodes originales sont présentées et le principe validé expérimentalement.D’abord une nouvelle méthode d’excitation de couches profondes par le rayonnement infrarouge lointain λ>20 μm, qui présente une meilleure efficacité par rapport à la méthode classique d’excitation par conduction thermique. Le fait de filtrer les courtes longueurs d’onde élimine l’échauffement en surface du matériau. La semi-transparence de la couche de chaux dans l’infrarouge lointain permet d’éclairer directement les couches de peintures et d’obtenir des thermogrammes révélant les motifs masqués.Nous avons aussi étudié la transmission des couches de peintures dans l’infrarouge lointain par spectrométrie à transformée de Fourier. Les peintures présentent vers 30 μm dans l’infrarouge lointain des zones d’absorption caractéristiques des groupements fonctionnels. Aussi la mesure directe de l’emission totale dans l’infrarouge lointain à température ambiante de peintures permet leur identification. Nous avons conçu un système qui pourrait être déplacé sur le terrain.Nous avons enfin introduit une nouvelle approche pour le diagnostic des peintures murales masquées par une couche de chaux basée sur la mesure du temps de vol des photons balistiques rétrodiffusés collectés par une caméra à balayage de fente d’une résolution de 2 ps. / This study deals with the diagnosis of hidden paintings by a layer of lime or another paintings.Three original methods are presented and experimentally validated the principle. First, a new excitation method of the deeper layers based on far infrared radiation λ>20 μm, which has a higher efficiency compared to the conventional method of thermal conduction excitement. The fact that the filter removes short wavelength in the heating surface of the material. The semi-transparent layer of lime in the far infrared can illuminate layers of paint directly and get thermograms revealing hidden patterns.We also studied the transmission of the layers of paint in the far infrared by Fourier transform spectroscopy. The painting present in the far infrared 30> μm areas obsorption witch caracteristic of functional groups. Also the measurement of total emission in the far infrared at room temperature allows their identification.Finally, we introduced a new approach for diagnosing murals hidden by a layer of lime based on measuring the time of flight of photons backscattered ballistic collected by a streak camera with a resolution of 2 ps.

Les hétérostructures hybrides organique-inorganique présentent des propriétés intéressantes, notamment pour des applications dans le domaine de l’électronique et de la spintronique. Notre intérêt s’est porté particulièrement sur la réalisation d’hétérostructures de type Métal/Monocouche organique/Semiconducteur, dont l’étape de reprise de top-contact métallique reste actuellement un verrou majeur à la réalisation de telles jonctions. L’expérience de l’équipe sur des hétérostructures de type MOS (Métal/Oxyde/Semiconducteur), ainsi que les différentes techniques de surface et de transport disponibles au laboratoire, sont appliquées ici à l’étude de ces hétérostructures hybrides. En particulier, la Microscopie à Emission d’Electrons Balistiques (BEEM) permet d’étudier localement les propriétés électroniques des hétérostructures, avec une résolution spatiale nanométrique. A partir du système Au/GaAs(001) bien connu au laboratoire, nous avons intercalé une monocouche d’alcanethiols à l’interface, pour former des hétérostructures de type Au/Alcanethiols/GaAs(001), entièrement préparées sous ultra-vide. Lors du dépôt d’or à température ambiante, les images BEEM ont révélé des interfaces hétérogènes, avec des zones où le peigne moléculaire est court-circuité ou non par le métal. Une analyse quantitative en spectroscopie BEEM des zones non court-circuitées a mis en évidence des signatures particulières, avec une première contribution associée au passage tunnel des électrons à travers le peigne moléculaire, et une seconde contribution, à plus haute énergie, révélant l’existence de nouveaux canaux de conduction associés à l’existence d’états inoccupés dans la monocouche organique. Les effets de l’épaisseur du métal déposé, de la longueur de chaîne des molécules organiques, ainsi que du groupe terminal de la chaîne organique, ont été discutés. Afin d’améliorer le dépôt du contact métallique, un dispositif expérimental original a permis de déposer l’or sur le substrat refroidi, sur lequel une couche tampon de Xénon est condensée (méthode BLAG : Buffer Layer Assisted Growth). L’analyse BEEM de ces hétérostructures a révélé ici des interfaces homogènes, sans pénétration du métal. Des signatures spectroscopiques similaires aux zones non court-circuitées précédentes ont été mises en évidence. Une étude complète de ces hétérostructures préparées par la méthode BLAG a été réalisée via des mesures de transport à l’échelle macroscopique (J(V) et C(V)), ainsi que des mesures de photoémission par rayonnement synchrotron. Ces mesures ont confirmé le caractère reproductible des jonctions formées, avec des hauteurs de barrière en accord avec celles déterminées par BEEM. / In molecular electronics and spintronics, top-contact metal electrode deposition on organic molecular monolayer (OML)/semiconductor hybrid heterostructures is still a critical issue, leading to metal penetration through the molecules and monolayer’s damage. The experimental set-ups available in the lab and the team’s experience in inorganic-inorganic heterostructures are here applied to hybrid organic-inorganic heterostructures. In particular, the Ballistic Electron Emission Microscopy (BEEM), a technique derived from Scanning Tunneling Microscopy (STM), allows to study electronic properties of such heterostructures, at a nanometer scale. Starting from the well-known Au/GaAs(001) Schottky contact, we here intercalate an alkanethiols monolayer, in order to obtain Au/Alkanethiols/GaAs(001) heterostructures, fully grown in ultra-high vacuum environment. In the case of room-temperature metal deposition, BEEM imaging reveals domains which are short-circuited or not by the metal. A quantitative analysis of non-short-circuited interfaces is realized by BEEM in spectroscopy mode. Particular fingerprints are obtained, with a first component related to electron tunnel transport through the monolayer, and a second component, at higher energy, related to first unoccupied states of the molecular layer reachable for electrons. The effects of metal thickness, molecular chain length and terminal group are discussed. In order to minimize the degree of gold penetration, an alternative top-contact deposition method is used, based on buffer-layer assisted growth (BLAG). BEEM studies on these heterostructures reveal homogeneous interfaces without metal penetration, and similar spectroscopic fingerprints. Complementary studies at macroscopic scale (J(V) and C(V) transport measurements and photoemission by synchrotron radiation) confirm the reproducible character of the junctions with barrier height values similar to the ones obtained by BEEM.