Dans ce travail de thèse, on s'est intéressé aux changement des propriétés électroniques en fonction du dopage de couches minces épitaxiées des composés supraconducteurs Bi2Sr2Can-1CunOy : phase Bi2Sr2CaCu2Oy (Tcmax=80 K) et Bi2Sr1.6La0.4CuOy (Tcmax=30 K) respectivement avec un et deux plans CuO2. Le changement des propriétés électroniques le plus étonnant se passe dans la région sous-dopée du diagramme de phase où un pseudogap s'ouvre à l'état normal dans le spectre des excitations électroniques. La mesure de la résistivité R(T), de l'effet Hall RH(T) et de la magnétorésistance MR(T,H) sur ces deux phases ayant le même réservoir de charges ont permis une étude directe de l'effet de pseudogap en fonction du nombre de plans CuO2 et de la température critique. Cet effet se manifeste par une déviation de R(T) par rapport à la loi linéaire se produisant au-dessous d'une température caractéristique T* et il est observé dans les deux phases. Toutes les courbes peuvent être superposées en fonction de T/T* sur une courbe unique, différente pour chaque phase, ce qui reflète une différence d'amplitude de l'effet de pseudogap dans R(T) d'un facteur 2, relié au nombre différent de plan CuO2. Par contre la température d'ouverture du pseudogap T* a le même ordre de grandeur dans les deux phases. Sa disparition rapide au voisinage de l'état optimal semble exclure une relation entre T* et Tc. De plus, l'existence d'un point critique au voisinage de l'état optimal est discutée ainsi que la corrélation possible entre les propriétés supraconductrices et les propriétés de l'état normal.

Document de synthèse des travaux de Recherche. Ces travaux concernent deux domaines en particulier : - Les matériaux ultraporeux type " aérogels " : ce sont principalement les aérigels de silice qui sont étudiés d'un point de vue textural et structural - Les matériaux hybrides organiques-inorganiques, principalement sous forme de couches, au travers de l'évolution de leurs propriétés mécaniques ainsi que leurs applications à l'optique guidée.

L'endommagement laser est le résultat d'une interaction laser-matière qui se traduit par une dégradation physique des optiques, entraînant une détérioration de leur fonction optique. C'est un des facteurs limitant le développement des lasers de puissance et de leurs applications. Dans les matériaux diélectriques et en régime femtoseconde, ce phénomène repose sur des processus non linéaires et dépend des propriétés intrinsèques du matériau, contrairement au régime nanoseconde. Un banc d'endommagement laser femtoseconde a été développé et appliqué à l'étude du comportement des couches minces diélectriques. Le caractère déterministe de l'endommagement femtoseconde a été confirmé sur les substrats et les couches minces. Nous montrons de plus que les couches minces sont le siège d'effets transitoires, capables d'affecter le seuil d'endommagement, lorsque la densité d'électrons libres atteint une valeur critique. Un modèle dynamique a été développé afin de prendre en compte ces effets. Son efficacité à prédire l'évolution du seuil d'endommagement en fonction de la durée de l'impulsion a été démontrée expérimentalement. Les tests d'endommagement menés sur des monocouches HfO2 montrent une dépendance du seuil d'endommagement avec la technique de dépôt. Par ailleurs le comportement linéaire du seuil d'endommagement en fonction de la largeur de bande interdite a été confirmé pour les oxydes purs. Enfin nous présentons la première étude exhaustive sur la tenue au flux de mixtures d'oxydes, menée en collaboration avec le centre laser de l'Université de Vilnius, Lituanie et le Laser Zentrum Hannover LZH, Allemagne.

Le 60Fe présente un intérêt particulier en astrophysique nucléaire. En effet, la récente observation de ses raies gamma caractéristiques par les satellites RHESSI et INTEGRAL permet d'accéder au flux total de 60Fe intégré sur toute la Galaxie. De plus, l'observation d'un excès de 60Ni (noyau-fils du 60Fe) dans les grains pré-solaires fournit des contraintes sur les conditions de formation du système solaire primitif.Cependant, les sections efficaces de certaines réactions intervenant dans la nucléosynthèse du 60Fe et incluses dans les modèles stellaires présentent encore des incertitudes. C'est le cas notamment de la réaction 60Fe(n, gamma) 61Fe qui est responsable de la destruction du 60Fe. La section efficace totale de cette réaction peut être divisée en deux parties : la composante directe, impliquant les états situés sous le seuil de séparation neutron du 61Fe, et la composante résonante.Nous avons amélioré les connaissances spectroscopiques du 61Fe afin d'évaluer la contribution de la capture directe au taux de la réaction 60Fe(n, gamma)61Fe. Pour cela, nous avons étudié la réaction 60Fe(n, gamma) 61Fe par la réaction de transfert d(60Fe, p gamma)61Fe à l'aide du dispositif expérimental CATS/MUST2/EXOGAM sur la ligne LISE au GANIL. L'analyse en DWBA des distributions angulaires expérimentales des protons a permis d'extraire les moments angulaires et les facteurs spectroscopiques de différents états du 61Fe identifiés et peuplés sous le seuil de séparation neutron. Une comparaison des résultats expérimentaux obtenus pour le 61Fe avec ceux de noyaux similaires et avec des calculs modèle en couches a également été effectuée.

L'utilisation croissante de systèmes électroniques miniaturisés induit une forte demande en microsources d'énergie performantes, telles que les microbatteries au lithium. En vue d'améliorer les propriétés de l'électrolyte, nous avons étudié les propriétés électriques et thermomécaniques d'électrolytes solides de type borate de lithium. Une corrélation entre la conductivité ionique et le coefficient de dilatation thermique (CTE) a été mise en évidence pour différentes compositions de verres massifs. A partir des résultats de CTE obtenus, un modèle de prédiction basé sur les travaux de Appen permettant la détermination de ce dernier en fonction de la composition chimique a été développé. Dans un second temps, différentes techniques de préparation de cibles denses nitrurées ont été mises en œuvre afin d'abaisser le CTE de la cible et ainsi permettre son utilisation sur une plus longue durée. Par ailleurs, l'utilisation d'une cible nitrurée a également été envisagée pour augmenter la teneur en azote dans les couches minces. Finalement, des couches minces d'électrolyte de différentes compositions ont été préparées par pulvérisation cathodique (sous plasma d'argon ou d'azote pur) et ont fait l'objet d'une caractérisation chimique, structurale, électrique et thermomécanique. Le rôle bénéfique de l'azote sur la conductivité ionique des couches minces a ainsi pu être confirmé.

Les cellules solaires à base de couches minces de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), préparées par co-évaporation, atteignent des rendements de conversion jusqu'à 20%. Le développement de méthodes de synthèse telles que l'électrodépôt devrait permettre d'abaisser les coûts de production. Ce travail présente une étude de l'électrodépôt d'alliages Cu-In-Ga en milieu acide aqueux sur substrat de verre recouvert de molybdène. La sélénisation thermique entre 400°C et 600°C permet de former le CIGS. Après une étude bibliographique sur les méthodes de synthèse de CIGS (chapitre 1), les techniques expérimentales utilisées sont décrites dans le chapitre 2. Le chapitre 3 est consacré à l'étude des conditions d'électrodépôt des alliages Cu-In-Ga, à partir d'une analyse de chimie des solutions, puis d'études dédiées dans les électrolytes élémentaires, binaires et ternaires par voltampérométrie. L'analyse chimique et structurale des dépôts permet de corréler le comportement électrochimique avec la présence de phases particulières, notamment Cu2In, CuIn, In ou CuGa2. Les paramètres contrôlant la composition, la teneur en oxygène, ainsi que la structure des alliages Cu-In-Ga sont déterminés. Le chapitre 4 décrit les traitements thermiques mis au point permettant d'obtenir des absorbeurs compacts de composition souhaitée. La spectroscopie Raman est utilisée pour distinguer les phases : la ségrégation du Ga vers la couche de molybdène est ainsi mise en évidence. Des cellules solaires du type Mo/CIGS/CdS/ZnO sont réalisées, et des rendements de conversion photovoltaïque de 9,8 % sont obtenus, avec présence de phases secondaires appauvries en cuivre dans le matériau.

L'étude expérimentale de noyaux de plus en plus riche (ou pauvres) en neutrons met à rude épreuve les modèles de structure nucléaire. Ainsi, la découverte de nouveaux nombres magiques pose le problème de la définition de l'espace-modèle dans les calculs de modèle en couches. L'approche suivie consiste à utiliser les propriétés d'appariement des nucléons pour diminuer les dimensions de l'espace des configurations utilisé dans le modèle en couches. Cette approche, dite de séniorité généralisée, nous permet d'agrandir les espaces de valence tout en gardant les dimensions des matrices accessibles à une digonalisation numérique. Elle n'est toutefois valable qu'aux alentours de noyaux semi-magiques. Un ensemble de comparaisons de nos résultats à des calculs analytiques puis à des calculs de type modèle en couche complet, dans des espaces où ils étaient réalisables, nous a permis d'apprécier la qualité de notre approximation. Une explication de notre approche à des problèmes théoriques d'actualité a ensuite été réalisée. Deux séries de noyaux se prêtaient particulièrement bien à cette application : les isotopes du nickel. Afin de tenir compte des excitations décrites dans d'autres études comme extérieures à l'espace-modèle, nous avons considéré l'espace 0f1p0g9/2. Nous avons validé ce choix sur les isotope les plus stables avant d'étudier la fermeture de la sous-couche N = 40. Les isotones de 82 neutrons.

Le dépôt d'énergie cinétique d'un projectile rapide dans une cible conduit à l'éjection de matière sous forme d'atomes ou d'agrégats ("pulvérisation"). La mesure des rendements, des distributions en énergie et en angle des particules pulvérisées contribuent à comprendre le processus microscopique de l'endommagement et de la création de défauts dans les matériaux. Un nouveau dispositif expérimental ultra vide (AODO) permet de mesurer les distributions en masse et les vecteurs vitesse de chaque ion secondaire émis par technique d'imagerie XY-TOF-SIMS ("Secondary Ion Mass Spectroscopy"). Ici, nous nous intéressons à la pulvérisation du fluorure de lithium (isolant cristallin "modèle" à gap très important ≈ 14 eV) irradié par des ions lourds rapides (≈ 10 MeV/u). En fonction du pouvoir d'arrêt Se, deux régimes de l'évolution des rendements de pulvérisation Y des ions secondaires sont observés. Pour les faibles Se (< 8 keV/nm), régime de faible perturbation, Y ~ Se^ 2. Pour les forts Se (> 8 keV/nm), régime de forte perturbation, une saturation (Y = constante) est observée. Les données expérimentales permettent aussi de tester des modèles théoriques proposés dans la littérature (le modèle de l'onde de choc, pointe thermique, explosion coulombienne...). Il apparaît qu'aucun de ces modèles ne peut interpréter correctement l'ensemble de ces résultats. Une distribution de type Maxwell- Boltzmann décrit bien les distributions en énergie des ions secondaires. Les processus générant la pulvérisation doivent donc être principalement d'origine thermique.

La Spectrométrie à Décharge Luminescente est couramment utilisée pour l'analyse spectrochimique des matériaux et est devenue un outil standard pour l'analyse de la composition en profondeur de matériaux multi-couches. Cette technique permet aussi la quantification en se basant sur le nombre de photons émis par atome pulvérisé et ne dépend que de Z, l'impédance de la décharge employée pour l'analyse. Cette approche est basée sur l'analyse des métaux, sans fondement théorique, et son extension vers l'analyse des matériaux non-conducteurs n'est pas validée. Pour une géométrie fixée, Z dépend essentiellement de la pression du gaz plasmagène et de γ, le taux d'émission d'électrons secondaires du matériau de la cathode. Ainsi, pour valider la quantification, il est nécessaire de connaître le γ des différents matériaux et d'établir un classement. Un " γeffectif " a été déterminé à partir des courbes de Paschen pour différents matériaux conducteurs et non-conducteurs. L'étude a montré que ce coefficient dépend sensiblement de l'état physico-chimique de la surface des électrodes, ces variations (jusqu'à 50%) rendent le résultat difficilement exploitable. En revanche, la détermination de la variation de Z avec la pression, a permis un classement des différents matériaux en fonction de leur γ : une forte Z correspond à un faible γ. De plus ces travaux ont montré qu'une variation de la pression du gaz plasmagène peut compenser l'effet de γ sur l'impédance de la décharge ce qui est primordial pour la procédure de quantification. Afin de valider le procédé, nous avons analysé une couche mince organo-metallique (LiPON) et ainsi montré que la quantification est applicable aux matériaux complexes en couche mince.

Ces travaux portent sur un sujet d'intérêt commun à la physique fondamentale et à la physique appliquée. La stratégie du travail est d'utiliser les matériaux supraconducteurs à haute température critique (SHTc), destinés à une application dans des dispositifs pour la télécommunication, ainsi que les prototypes eux-mêmes de ces dispositifs, en tant qu'échantillons dans des études fondamentales portant sur la dissipation dans le régime des hyperfréquences (hf). On a ainsi pu avancer dans la compréhension du comportement non-linéaire des supraconducteurs dans cette partie du spectre électromagnétique, et, en même temps, développer des stratégies pour l'amélioration des dispositifs. En effet, la dissipation énergétique dans les supraconducteurs entraîne une dégradation du facteur de qualité (lorsqu'il s'agit de filtres ou de résonateurs), et une sévère limitation du nombre de canaux de communication que l'on puisse utiliser dans une certaine bande passante. La dégradation du facteur de qualité de filtres supraconducteurs en YBa2Cu3O7 lorsque ceux-ci sont exposés aux champs électromagnétiques de grande amplitude utilisé dans les télécommunications (GSM, UMTS,...) est due à l'augmentation avec la puissance de la résistance de surface, phénomène pour lequel pléthore d'explications tentatives ont été proposés dans le passé : excitation de quasi-particules par le champ hf, pertes hystérétiques à cause du mouvement des lignes de flux quantifiés, pénétration du flux magnétique hf par de joints de grains, et, enfin, chauffage local de la couche supraconductrice. En utilisant la mesure in-situ de la fréquence de résonance, et par delà, de la constante diélectrique du même résonateur en TiO2 posé sur la couche en YBa2Cu3O7 pour mesurer la résistance de surface, il est montré que dans la plage autour de 10 GHz, c'est l'échauffement local de la couche supraconductrice par le champ électromagnétique hf, et l'augmentation en température qui s'en suit, qui est responsable pour toute non-linéarité observée. Il n'y a donc pas de non-linéarités intrinsèques au supraconducteur qui jouent un rôle : seule la dissipation linéaire et l'effet Joule, avec la prise en compte correcte de la thermique de la couche supraconductrice, permettent de rendre compte des phénomènes. Ce résultat ouvre la voie à de nouvelles stratégies pour l'amélioration de dispositifs hf basés sur des supraconducteurs à haute Tc. Là où les pertes linéaires sont dues aux oscillations nanométrique de lignes de flux présents du à la présence du champ terrestre, l'inclusion d'ouvertures de la taille de quelque dizaine de nm dans la couche pourrait avoir un effet bénéfique. Par ailleurs, un blindage de tout dispositif s'impose. Là ou les pertes sont dues à la nature non-conventionelle de la supraconductivité et l'excitations de quasi-particules proche des nœuds de la bande interdite, on bute sur un problème fondamental. Une extension de cette étude porte sur les résonateurs planaires supraconducteurs. La caractérisation d'une série de résonateurs en YBa2Cu3O7 avec des fréquences propres allant de 500 GHz à 12 GHz montre que dans ce cas aussi, les performances des dispositifs étaient limités par l'échauffement de la couche supraconductrice. A fins de démonstration, une technique est développée ou on utilise un résonateur diélectrique (en TiO2 dans la phase rutile) posé sur le résonateur en YBa2Cu3O7 pour mesurer la température locale du dernier. La résonance de l'YBa2Cu3O7 et du TiO2 sont mesurés à l'aide de deux analyseurs de réseau, fonctionnant dans des plages de fréquence distinctes. Par la modélisation, comme par l'application de la méthode magnéto-optique pour la visualisation directe de la pénétration du flux magnétique dans le résonateur supraconducteur, il est montré que cet échauffement a lieu proche des coins aigus du dispositif, ou la densité de flux et du courant d'écrantage sont exacerbés. Une deuxième version des résonateurs YBa2Cu3O7 où les coins aigus sont éliminés au profit de coins arrondis à permis une amélioration d'un facteur dix de la plage de puissance ou le dispositif peut être utilisé. Cette amélioration a d'ores et déjà été incluse dans une application pour la DGA, et un brevet devrait être déposé.