Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences des matériaux : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 3736. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 109-113. Liste des publications et communications.

Les nanocristaux de semi-conducteurs, ou boites quantiques, trouvent leur application dans de nombreux domaines. Pendant cette thèse nous avons étudié les propriétés optiques de couches minces nanocomposites de polymère PMMA contenant différentes concentrations de boites quantiques CdSe/ZnS. Les spectres d'absorption et de luminescence peuvent être expliqués par la mécanique quantique. A partir des spectres de luminescence mesurés nous montrons clairement l'effet du couplage entre les boites quantiques. Sous l'effet d'un faisceau pompe à 514nm le spectre de luminescence centré à 560nm évolue fortement au cours du temps. Nous montrons que ces couches luminescentes qui convertissent ainsi les fréquences optiques peuvent permettre d'augmenter l'efficacité de cellules solaires. Par ailleurs, pour bénéficier au mieux du fort rendement de photoluminescence, il est nécessaire de contrôler la répartition spatiale de la lumière émise. Pour contrôler cette répartition une nanostructure bi périodique a été réalisée dans des couches de PMMA contenant les boites quantiques par nano-impression, en utilisant un moule en silicium gravé. La caractérisation de la structure réalisée met en évidence la qualité de la méthode utilisée. On montre également, par la théorie, à la fois que le champ local est résonant dans la structure et que la lumière se répartie en champ lointain dans les directions de diffraction contrôlées par la période du réseau.

Ce travail évalue la potentialité de couches minces LSMO (La0,7Sr0,3MnO3) déposées sur substrat comme détecteur de rayonnement à température ambiante, en exploitant la variation de sa résistance électrique au voisinage de 300 K. Un banc de mesure optique a été mise en place (conception et réalisation) pour achever cet objectif. Ce banc a été utilisé pour caractériser les échantillons LSMO comme détecteur de rayonnement bolométrique. Un modèle thermique analytique détaillé de la structure couche-mince-sur-substrat est proposé. Il interprète les variations de la sensibilité optique par rapport la fréquence de modulation de la puissance laser rayonnée. La discussion du modèle comprend la présentation de la diffusion de la chaleur dans le substrat et la résistance thermique d'interface couche-substrat. Ce modèle a été analysé et validé à l'aide des résultats de mesure de plusieurs surfaces de détection (méandre forme) pour différents matériaux de substrat. La valeur de la résistance thermique de l'interface couche-substrat a été estimée pour les différents substrats. La caractérisation de bolomètre inclut les paramètres thermiques et électriques, comme le TCR et la conductance thermique, nécessaires pour qualifier sa performance. Ainsi, la mesure et l'analyse de sensibilité optique et le bruit de plusieurs pixels surfaces sur différents substrats sont présentés. Le rôle de pixel géométrie (pixel surface, l'épaisseur du film, nombre de méandres) et le matériau de substrat (SrTiO3, MgO, SrTiO3/Si) sur les performances du bolomètre est étudiée, en utilisant les résultats de mesure et les données de calcul issus du modèle. La détectivité spécifique mesurée augmente pour une taille du pixel plus grand et une conductivité thermique du substrat plus petit. On estime 2x107 cm.W-1.Hz1/2 pour échantillon 200x200 µm² LSMO/STO. Pour LSMO/Si, un temps de réponse 21 µs été obtenue pour 50x50 µm², ce qui est comparable à celui des détecteurs photonique.

Le contexte de cette thèse est la récupération d'énergie afin de rendre des capteurs autonomes. L'objectif de ce travail est de répondre à la problématique du couplage des microgénérateurs piézoélectriques résonants à la source de vibration mécanique. Cela nécessite de travailler à plus basse fréquence et sur des gammes de fréquences plus importantes. Pour travailler à plus basses fréquences, des poutres encastrées libres utilisant l'AlN comme matériau piézoélectrique ont été conçues, fabriquées et caractérisées. La possibilité de récupérer 0.6µW à 214Hz pour un volume de moins de 3mm3 a été prouvée. Comparées à la littérature, de très bonnes figures de mérite ont été démontrées. Pour travailler sur des gammes de fréquences plus importantes, une méthode innovante de raidissement non linéaire de la structure a été proposée et prouvée expérimentalement, avec une adaptation de la fréquence de résonance de plus de 50% en dessous de 500Hz

Les recherches que j'ai menées et encadrées au sein de l'équipe Optique XUV du Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique s'inscrivent dans une dynamique de développement rapide du domaine spectral XUV (1 à 60 nm de longueur d'onde). D'un coté, les sources (rayonnement synchrotron, génération d'harmoniques, laser X, laser à électrons libres...) requièrent des optiques toujours plus performantes; d'un autre coté, les applications (diagnostiques de plasma chaud, physique solaire, microscopie X, lithographie EUV, analyse X...) imposent de nouvelles contraintes sur la conception des empilements multicouches. Les miroirs multicouches constituent en fait l'unique moyen d'obtenir des optiques efficaces fonctionnant à des angles d'incidence non rasants dans ce domaine spectral. Nos travaux portent sur l'étude des matériaux en couches minces corrélée à l'étude des propriétés optiques des multicouches. L'objectif est d'aboutir, par une meilleure connaissance des phénomènes physiques dans ces empilements de couches nanométriques, à des composants multicouches et à de fonctions optiques jusqu'alors inaccessibles dans le domaine XUV. Nous montrerons à travers plusieurs exemples comment nous avons réussi d'une part à améliorer les performances des miroirs multicouches sur une gamme spectrale étendue, et d'autre part, à concevoir de nouvelles fonctions optiques : lames séparatrices, miroirs à large bande passante, miroirs bi-bandes, miroirs à compensation de phase.

Le but de ce travail de thèse est d'étudier les propriétés d'un plasma réactif ainsi que les caractéristiques structurales, optiques et électriques de couches minces d'oxynitrure de tantale (TaOxNy) élaborées par pulvérisation cathodique radiofréquence. L'élaboration de ce matériau ternaire par pulvérisation d'une cible de tantale au moyen d'un plasma contenant à la fois de l'argon, de l'oxygène et de l'azote est complexe en raison de phénomènes d'empoisonnement de la cible. L'analyse de la composition du plasma par spectroscopie d'émission optique et le suivi de l'évolution de certaines raies représentatives d'espèces excitées dans le milieu, nous ont permis de déterminer les conditions optimales au dépôt de films de types TaOxNy sur une large gamme de compositions. Grâce à une étude par diffraction des rayons X et spectroscopie de photoélectrons X, nous avons suivi les évolutions structurales de couches ayant subi ou non un recuit thermique. Nous avons montré de quoi étaient constituées les parties amorphes et cristallisées de ces films et déterminé la taille des domaines de cohérence. Enfin, les propriétés optiques (indice de réfraction, gap optique, paramètre d'Urbach) et diélectriques ont été corrélées à la structure des matériaux.

Le graphène est un plan unique d'atomes de carbone formant une structure en nid d'abeilles. Dans le cas idéal, le graphène possède des propriétés physiques étonnantes résultant de sa structure électronique en " cône de Dirac ". En particulier, la mobilité électronique dans le graphène est exceptionnelle ce qui ouvre des perspectives pour les transistors futurs. Dans cette thèse notre objectif est de tester les propriétés et les performances de transistors réalisés sur graphène à l'aide d'une technologie compatible CMOS. Depuis 2004, il est connu qu'on peut obtenir ce matériau bidimensionnel à partir de la graphitisation du carbure de silicium (SiC). C'est cette technique qui a été utilisée ici. Parmi les résultats obtenus, nous présenterons en particulier une méthode innovante pour déterminer le nombre de couches de graphène. Nous détaillerons la technologie d'intégration mise au point, avec la réalisation de transistors à canal court et étroit. Nous montrerons les caractéristiques obtenues. La mobilité électronique mesurée est à l'état de l'art international. Nous analyserons également le rôle du diélectrique de grille sur la qualité des performances.

Ce travail a pour objectifs d'apporter des connaissances au niveau des propriétés électriques de transistors en couches minces (TFTs) à base de silicium polymorphe (pm-Si :H), ainsi qu'au niveau de la structure du matériau polymorphe. Nous nous sommes également intéressé à une nouvelle méthode de cristallisation d'une couche de silicium amorphe par interférométrie laser qui présente un fort potentiel pour le développement de matrice active en silicium polycristallin de grandes dimensions. Nous avons d'abord mis en évidence un courant OFF plus faible dans les TFTs en pm-Si :H que dans les TFTs en silicium microcristallin (µc-Si :H). Nos études ont également montré que les TFTs en pm-Si :H ne sont pas, ou très peu, sujet à la contamination par l'oxygène lors du procédé de fabrication, problème rencontré dans la fabrication des TFTs en µc-Si :H. Nous avons ensuite étudié la dérive de la tension de seuil lorsque les TFTs sont stressés électriquement. Nous avons mis en évidence des résultats similaires à ceux observer dans les TFTs en silicium amorphe (a-Si :H), à savoir que la création de défauts dans la couche active est le mécanisme responsable de la dérive de VT pour des tensions de grille faibles et des temps de stress courts, alors que le piégeage de charges dans le nitrure de grille est responsable de la dérive de VT lorsque les tensions de grille sont élevées et les temps de stress longs. Il s'est avéré que les TFTs en pm-Si :H sont plus stables que les TFTs en a-Si :H. Dans un second temps, les analyses structurales de films minces de pm-Si :H ont montré la présence de cristallites de quelques nanomètres dans la couche. De même, nous avons isolé le signal de diffraction de rayons X d'une telle couche et mis en évidence une organisation structurale à plus grande distance que pour le silicium amorphe, ce qui est cohérent avec les résultats des stress électriques. Pour finir, nous avons étudié une méthode de cristallisation du a-Si par interférences laser 4 faisceaux. Nous avons observé une structuration périodique de la couche dans un système cubique face centrée. Les observations TEM ont montré que la couche était bien cristallisée. Les observations MEB suite à la révélation des joints de grains ont montré ce qu'il semble être un réseau de germes de µc-SiH avec un pas de 652 nm et la présence continue de grains et de joints de grains entre ces germes.

Matériaux multiferroïques ont suscité beaucoup d'intérêt au cours des dernières années. Notre étude est consacrée à un système prototype: manganite d'yttrium. En particulier, nous nous concentrons sur les propriétés ferroélectriques sous forme massive monocristalline et sous forme de couches minces. Manganite d'yttrium appartient à la classe des composés ABO3. La plupart des études théoriques de la ferroélectricité à ce jour se sont concentrées sur perovskite cubique ABO3. Manganite d'yttrium est hexagonale et est un ferroélectrique impropre. Nous nous sommes intéressés à étudier théoriquement et expérimentalement comment ces deux fonctions se comportent sous forme de film mince.

Ce travail propose une nouvelle voie de conception de micro-bolomètres non-refroidis, qui exploite la variation de résistance électrique avec la température au voisinage de 300 K de couches minces La0,7Sr0,3MnO3 déposées sur substrat de silicium. Un procédé de fabrication utilisant le micro-usinage du silicium a été optimisé afin de réduire la conductance thermique liant la couche mince au substrat. Nous avons vérifié que les propriétés électriques (résistivité électrique et bruit à basse fréquence) du La0,7Sr0,3MnO3 ne sont pas dégradées sur des ponts suspendus de largeur 2 ou 4 µm et de longueur 50 à 200 µm. La conductance thermique mesurée est bien décrite par un modèle analytique simple. L'isolation thermique du détecteur est réduite de 5 ordres de grandeur, augmentant d'autant la sensibilité des bolomètres. La détectivité spécifique dans la bande passante estimée à partir des mesures est égale à 1,1×1010 cm.Hz-1/2.W-1 à 1,5 µm et à 300 K, ce qui très proche de la limite théorique pour des détecteurs thermiques à 300 K (1,8×1010 cm.Hz-1/2.W-1). Nos détecteurs de rayonnement, dont les performances sont limités par le bruit de phonons, présentent des constantes de temps de réponse faible (<1 ms). Ils pourraient trouver préférentiellement des applications dans lesquelles un petit nombre de détecteurs et où une grande détectivité spécifique (ou une petite constante de temps de réponse) sont nécessaires. C'est par exemple le cas des applications pour la spectrométrie infrarouge ou des détecteurs de gaz de type non dispersif. Associés à des antennes, nos bolomètres pourraient également trouver des applications en détection THz.