L’électrochromisme se définit par la capacité d’un système à modifier ses propriétés optiques en réponse à une tension électrique. Aujourd’hui, les vitrages intelligents sont une des applications phare. Ce manuscrit contribue à une meilleure compréhension du mécanisme responsable de la commutation optique du matériau à coloration anodique NiO. Des films de stoechiométrie contrôlée, de formule Ni1-xO, ont été déposés par pulvérisation cathodique à température ambiante sous différentes pressions partielles d’oxygène. De nature faiblement cristallisés, la caractérisation des films par diverses techniques telles que la spectroscopie de photoélectrons X, ou la spectroscopie de pertes d’énergie des électrons a permis d’estimer que la stoechiométrie variait de Ni0,96O à Ni0,81O lorsque la P(O2) augmentait de 2% à 10%. L’étude électrochimique couplée aux mesures optiques, du film Ni0,96O dans divers électrolytes lithié et non-lithié, a montré que la différence de couleur entre l’état décoloré et coloré (marron) était comparable (42%<ΔT=Tdec-Tcol<55%) quel que soit le milieu. Ces résultats ont conduit à la mise en évidence d’un mécanisme régi simultanément par un comportement faradique et capacitif. L’intégration des films dans des dispositifs Ni1-xO/WO3 est associée à une coloration neutre quelles que soient les épaisseurs des couches unitaires ou la température de cyclage. Toutefois, des températures de cyclage supérieures à 45°C ont conduit à des dégradations irréversibles des propriétés électrochromes tandis que des températures de cyclage négatives ont entrainé une diminution voire une disparition des propriétés électrochromes. La conception de dispositifs plus originaux, double face, conclut ce manuscrit. / Electrochromism is defined by the ability of a system to modify its optical properties in response to an electrical voltage and today, its flagship application is the smart windows. This manuscript contributes to a better understanding of the mechanism responsible of the coloration of the anodically colored oxide NiO. Non-stoichiometric films, Ni1-xO, were deposited by sputtering at room temperature under different partial pressures of oxygen. The characterization of the films by various techniques, including X-ray photoelectron spectroscopy or energy loss spectroscopy, has led to the conclusion that the stoichiometry varied from Ni0.96O to Ni0,81O when P(O2) increased from 2% to 10%. The electrochemical study coupled with the optical measurements of Ni0,96O film in various lithiated and non-lithiated electrolytes showed that the color difference between the bleached and colored (brownish) state was comparable (42%<ΔT=Tbl-Tcol<55%) regardless of the electrolyte nature. These results led to the identification of a mechanism simultaneously governed by a faradaic and capacitive behavior. The integration of the films in Ni1-xO/WO3 devices is associated to neutral colored ECDs regardless of the thickness of the individual layers or the cycling temperature. However, cycling temperatures above 45°C has led to irreversible degradations of the electrochromic properties while negative cycling temperatures has shown a decrease or even disappearance of the electrochromic properties. The design of original devices concludes this manuscript.

Le sujets de cette thèse sont l'évolution structurelle et la réponse magnétique particulière des films de cobalt observés lors de l'intercalation entre graphène et Ir (111).L'origine du comportement magnétique exotique de ces films n'a pas été trouvée encore. À cet égard, l'objectif final de ce travail est de sonder les effets de l'anisotropie structurale sur l'anisotropie magnétique.Plusieurs paramètres tels que l'épaisseur du film, les temps et les températures de la procedure du textit{annealing}, la présence de graphène et l'environnement local de Co ont été pris en compte comme possibles sources d'anisotropie structurale.Une analyse complète a été réalisée en utilisant des techniques complémentaires et avancées. Techniques comme la spectroscopie de photoélectrons de rayons X (XPS) et l'effet Kerr magnéto-optique (MOKE) ont fourni des informations sur la distribution de Co dans la direction perpendiculaire à la surface et sur la réponse magnétique. Cependant, techniques de rayonnement synchrotron comme la spectroscopie d'absorption de rayonnement X (XAS) et la diffraction de rayons X par incidence rasante (GIXD) ont sondé la structure locale et l'ordre à long terme des films.L'analyse présentée dans cette thèse inclut les effets de surface à l'interface Co/Ir, l'environnement local autour du Co, la structure cristalline du film, la rugosité du système et le désordre moyen.En particulier, l'évolution de ces paramètres est présentée et discutée en même temps que leur effet sur la réponse magnétique macroscopique des films intercalés.Les résultats démontrent que les traitements thermiques affectent la morphologie du Co, sa rugosité et sa coordination locale. Tels effets altèrent la structure du film affectant l'anisotropie magnétique globale. Cette information est utile à des fins applicatives. De plus, la description des modifications micro-structurales fournit un aperçu approfondi des propriétés physiques des films de Co intercalés. / This thesis focuses on the structural evolution and the peculiar magnetic response of Cobalt films observed upon intercalation between Graphene and Ir(111).The origin of the exotic magnetic behaviour of such films cite{ROUGEMAILLE} has not been found yet. In this respect, the final goal of this work is to probe the effects of the structural anisotropy on the magnetic anisotropy.Several parameters such as: film thickness, annealing times and temperatures, Graphene presence, and Co local environment were taken into account as possible sources of structural anisotropy.A complete analysis was carried out using complementary, state-of-the-art techniques. While laboratory techniques such as X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Magneto-Optic Kerr Effect (MOKE) provided information on the Co distribution along the direction perpendicular to the surface, and on the magnetic response, synchrotron radiation techniques such as X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) and Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXD) probed the local structure and the long range order of the films.The analysis presented in this thesis includes the surface effects at the Co/Ir interface, the local Co environment, the crystalline structure of the film and the system roughness and average disorder.In particular, the evolution of such parameters is presented and discussed together with their effect on the macroscopic magnetic response of the intercalated films.The results demonstrate that thermal treatments affect Co morphology, roughness, and local coordination. Such effects alter the film structure affecting the overall magnetic anisotropy. This information alone is valuable for applicative purposes. Moreover, the description of the micro-structural modifications provides a deep insight into the physical properties of intercalated Co films.

Les couches minces de LiNbO3 (LN) avec des orientations du single cristallographique en dehors-du-plan et dans-le-plan sont nécessaires pour les dispositifs optiques et acoustiques. La technique PIMOCVD est adapté pour la déposition de couches minces de LN avec des orientations cristallographiques différentes sur des substrats monocristallins. Pour obtenir des couches avec une surface lisse et composé une phase pure de LN avec une concentration contrôlé de Li, les paramètres de déposition ont été ajustés.Un effort particulier a été mis dans la croissance de couches avec une orientation unique dans-le-plan. La qualité cristalline, la qualité de l’épitaxie, Li2O nonstoichiometrique, l’orientation dans-le-plan, le stress résiduel et le twinning ont été étudiés avec la diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman. Couches de LN avec composition presque stoichiometrique on été obtenues. Les couches épaisses ont tendance à se fracturer et à former twins pour détendre les grands stress thermique. Les différences dans les mécanismes de relaxation et dans la capacité de supporter des stress dans les couches de X-, Y- et Z-LN sont discutés. Dans le cas des couches Z-LN le stress thermique sont equi-biaxial quand le stress dans les couches X- et Y- sont anisotropies. On a étudié aussi la structure des domaines ferroélectriques et la réponse piézoélectrique des couches. L’énergie de bande et l’indice de réfraction des couches de LN, mesuré pas elipsometrie spectrale, sont très proche de ceux du LN monocristallin. On démontre expérimentalement la présence d’une résonance à 5.5 GHz dans un résonateur à un seul port réalisé dans une couche de Z-LN/saphir de 150 nm d’épaisseur. / LiNbO3 (LN) thin films are attracting interest due to possibility to miniaturize, to integrate and to ameliorate the performance of acoustical and optical devices. These applications require LN films with single crystallographic out-of-plane and in-plane orientations. PIMOCVD technique was used for deposition of high quality of different crystallographic orientations LN thin films, offering a possibility to obtain films with various different cut on single crystalline substrates.In order to obtain films with smooth surface and consisting of pure LN phase with controlled Li concentration, the deposition parameters were tuned.A particular effort was done to obtain films with single in-plane orientation. The crystallinity, epitaxial quality, Li2O nonstoichiometry, in-plane orientation, residual stresses and twinning were studied by means of X-ray diffraction and Raman spectroscopy. The LN films with nearly stoichiometric composition were obtained. The thick films tend to crack and to form the twins in order to relax the high thermal stresses. The differences in relaxation mechanisms and in ability to withstand high stresses of X-, Y- and Z-LN films were discussed. In the case of Z-LN films the thermal stresses are equibiaxial, while the stresses in X- and Y- films are anisotropic. The ferroelectric domain structure and piezoelectric response of grown films were investigated. Energy gap and refractive indexes of LN films, measured by spectroscopic ellipsometry, were similar to those of single crystal. Acoustic resonance at 5.5 GHz in single-port resonators based on as-grown 150 nm thick Z-LN film on sapphire films was demonstrated experimentally.

La microélectronique cherche à produire des composants toujours plus performants. Un axe d'amélioration est l'intégration de plus de fonctionnalités dans un volume toujours plus compact. L'approche planaire classiquement utilisée jusqu'à présent atteint ses limites. Une solution à ce défi technologique est l'intégration 3D permettant d'empiler verticalement plusieurs circuits. Les étapes d'assemblage sont cruciales dans ces schémas d'intégration. Parmi les différentes techniques d'assemblage, le collage direct de couches minces métalliques est une alternative très intéressante. En effet, elle offre simultanément un lien mécanique et électrique vertical entre les couches actives de composants.Les propriétés microstructurales, physiques et chimiques des couches minces métalliques déposées ont été largement rapportées dans l'état de l'art antérieur. Cependant, elles n'ont jamais été étudiées dans l'environnement particulier du collage. Le but de notre étude est d'évaluer l'impact de cet environnement sur les couches minces métalliques assemblées pendant et après le procédé d'assemblage.Le collage direct consiste en la mise en contact de surfaces lisses à température ambiante et sous atmosphère ambiant afin de créer une adhérence entre elles. Puisque le collage n'est pas réalisé sous vide, des espèces adsorbées sont piégées à l'interface et une couche d'oxyde natif limite l'obtention du contact métal-métal. L'environnement de collage nous pousse donc à considérer ces différentes espèces qui interfèrent avec le procédé de collage et l'établissement du contact électrique.Dans cette étude, nous avons assemblé différents métaux dans différentes configurations de couches minces. Ainsi, les couches d'oxyde surfaciques ont été désignées comme influentes sur le comportement en adhésion des assemblages. Dans le cas précis du collage direct Cu-Cu, la réaction de l'eau interfaciale est primordiale au renforcement de la tenue mécanique dès la température ambiante. À plus haute température, la dissolution de l'oxyde piégé et la croissance de grain verticale sont des moteurs du scellement dépendant de phénomènes diffusifs. Il est apparu que les joints de grains sont des chemins de diffusion privilégiés dont le rôle dans la microstructure est majeur. Il a également mis en évidence que les couches de métaux réfractaires ne pouvaient pas être assemblées en utilisant les mêmes forces motrices que les métaux de transition dans la gamme de température considérée. La compréhension des différents mécanismes apporte un éclairage nouveau dans l'utilisation du collage direct dans les schémas d'intégration des composants de demain. / The semiconductor industry is driven by an increasing need of computation speed and functionalities. In the development of next generation devices the integration of more functionalities in an ever smaller volume becomes paramount. So far, classical planar integration was privileged but it is currently reaching its limits. One solution to this technological challenge is to consider the 3D dimension as pathway of integration. To ensure the vertical stacking of circuits, the development and control of assembly processes becomes crucial. Among the different techniques under development, direct bonding of metal thin films is a promising solution. It is a straightforward option that offers both a mechanical and an electrical link between the active strata.Microstructural, physical and chemical properties of deposited metal thin films were widely reported in previous state of art. However, they have not yet been studied in the specific bonding environment. The main goal of our study is to pinpoint the impact of this environment during and after the process of assembly.Direct bonding process consists in putting into contact smooth surfaces at room temperature and ambient air which in appropriate conditions leads to the establishment of attractive forces. Since bonding is not operated under vacuum, adsorbed species are trapped at the interface and the metal bonding suffers from the formation of native oxide. The encapsulation of these species as well as the native metal oxide interfere with the bonding process and the establishment of an electrical contact.In this study, various bonded structures have been realized using an extended set of metals in different thin film configurations. Metal oxide layers impact is clearly highlighted via the monitoring of adhesion properties of the assemblies. In the Cu-Cu direct bonding case, the interfacial water reaction is primordial in the strengthening of bonding toughness at room temperature. At higher temperature, oxide dissolution and vertical grain growth are driving forces in the sealing of bonding interface. The microstructure play a role in all these phenomena since grain boundaries are favorite diffusion pathway in thin films. Considering the temperature limitation imposed by the integration, we also highlight that refractory metal thin films needs another bonding approach compared to the transient metals. The understanding of bonding mechanisms throws new light on the use of direct bonding process in the realization of future electrical components.

Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) ont été développés dès le début des années 1980 en s'appuyant sur la technologie de l'industrie microélectronique. Ils ont d'abord été utilisés dans les accéléromètres et les airbags des automobiles. Depuis lors ils se diversifient et connaissent un important essor, notamment grâce à la rapidité De la réponse des matériaux piézoélectriques. La technologie des couches minces piézoélectriques a permis la miniaturisation et les déformations sous tensions d'actionnement plus faibles. Parmi les matériaux piézoélectriques, les films minces de PbZrTiO3 (PZT) morphotropique sont fréquemment utilisés pour leurs propriétés électromécaniques remarquables. Le PZT fabriqué par la voie sol-gel au CEA Leti est à l'état de l'art mondial. Dans le souci de continuer à être compétitif, plusieurs stratégies de R&D sont envisagées, notamment des études approfondies de la microstructure des films PZT pour l'optimiser, afin d'atteindre les propriétés ultimes du PZT. Dans ce but, cette thèse recherche les corrélations entre la microstructure et l'effet piézoélectrique du PZT. Le PZT morphotropique massif, apparu dans les années 1950, est un matériau bien étudié du point de vue microstructurale et piézoélectrique. Il existe plusieurs théories expliquant ses performances piézoélectriques au niveau microscopique. Pour citer les plus connues, le basculement de domaine des phases tétragonale et rhomboédrique, le réarrangement des nano-domaines rhomboédriques, la rotation de l'axe de polarisation dans la phase monoclinique et la transition de phase. Les films minces de PZT morphotropique sont apparus dans les années 1990. Leur microstructure diffère radicalement du PZT massif. Le PZT sol-gel étudié dans ce manuscrit, est contraint et possède une orientation préférentielle des cristaux, des domaines nanométriques et un gradient chimique de Zr et Ti dans l'épaisseur. Notre but est d'étudier les liens entre la microstructure complexe de ces films et leurs propriétés piézoélectriques en utilisant la caractérisation par diffraction des rayons X (DRX). Grace à l'accès au nano-faisceau à l'ESRF, nous avons pu étudier l'influence du gradient chimique de Zr/Ti sur la microstructure de PZT. Les résultats ont montré que la variation de concentration de Zr et Ti engendre une variation du rapport des phases tétragonale et rhomboédrique dans l'épaisseur de la couche. Cette variation suit les oscillations de Zr/Ti dans les films observées par SIMS. Cette observation montre la sensibilité de la microstructure sur la composition chimique. De même, il en résulte la possibilité d'améliorer l'homogénéité de composition du PZT et de ses performances. Car plus le PZT est homogène en composition, meilleurs sont ses coefficients piézoélectriques (d33, e31). Par la suite nous avons effectués des expériences in-situ sous champ électrique sur des capacités contenant le PZT avec le gradient de composition atténué. La microstructure de PZT a été affinée en utilisant la phase tétragonale et rhomboédrique. A 0V, on estime que le PZT contient 40% de phase rhomboédrique et 60% de phase tétragonale. A 30V, on n'observe plus que la présence de la phase rhomboédrique. Les résultats montrent une diminution de la proportion de phase tétragonale au profit de la phase rhomboédrique sous champ électrique. Pour finir nous avons étudié l'influence du gradient de concentration sur l'amplitude du changement de phase en analysant deux échantillons de gradient Zr/Ti différents par DRX in-situ. Nous avons pu montrer que plus l'échantillon est homogène chimiquement, plus il est sujet à la transition de phase sous champ électrique et plus il est performant piézoélectriquement. Finalement, afin d'améliorer les performances piézoélectriques des films PZT, nous proposons de fabriquer des films plus homogènes et plus riches en Ti pour amplifier la transition de phase dans les films. / MEMS have been developed since 1980, when they appeared as derivatives from the microelectronic industry. They were first used in accelerometers and car airbags. They have diversified since then and expanded. One of the main contributors to this expansion are piezoelectric materials. Among them, PbZrTiO3 (PZT) is widely used for its outstanding piezoelectric performances. Sol-gel PZT thin films fabricated at CEA are worldwide state of the art. In order to stay competitive, several R&D strategies have been developed. One of them is a detailed study of PZT microstructure in order to draw correlations with the piezoelectric effect in PZT films. The goal of this study is to optimize PZT microstructure aiming to reach its best piezoelectric properties. For this purpose, this thesis takes advantage of numerous studies performed on PZT bulk ceramics in order to analyze PZT thin films microstructure and its modifications with voltage. PZT bulk ceramics of morphotropic composition are now well known from the piezoelectric and microstructural point of view. There are several theories explaining the piezoelectric effect at the microscopic level, namely tetragonal and rhombohedral domain switching, rhombohedral nanodomains rearrangement, polarization axis rotation in the monoclinic phase and the phase transition.Morphotropic PZT thin films have emerged more recently. Their microstructure is very different from the bulk PZT. Indeed, sol-gel PZT films studied in this manuscript are stressed and contain preferred oriented nanoscale crystals and Ti/Zr composition gradient through the film thickness. Our goal is to study links between the complex microstructure of these films and their piezoelectric properties using X-ray diffraction (XRD).Thanks to the nano-beam at ESRF, we were able to study the influence of the Zr/Ti chemical gradient on the PZT microstructure. Our observations showed that the composition gradient gives rise to a variation of the tetragonal and rhombohedral phase ratio in the layer thickness. This variation follows Zr/Ti composition oscillations evidenced by SIMS. This experiment shows the sensitivity of PZT microstructure to the PZT chemical composition. At the same time, it suggests the possibility of improving the composition homogeneity of PZT and its performances. The more the PZT composition is homogeneous, the better the piezoelectric coefficients are.Then, we performed in-situ XRD under electric field experiments on a capacitor containing the PZT active layer with an attenuated Zr/Ti gradient. The PZT diffraction pattern was refined using the tetragonal and the rhombohedral PZT phases. At 0V PZT contains 40% of rhombohedral phase and 60% of tetragonal phase. At 30V, no tetragonal phase is observed any more. Results show an electric field induced phase transition from the tetragonal to the rhombohedral phase.Finally, we used in-situ XRD to study the influence of Zr/Ti composition gradient on the amplitude of the phase transition of two PZT samples with different Zr/Ti gradient. We showed that the more the sample is homogeneous in composition, the more phase transition it exhibits and the more it is performant.Finally, to improve the piezoelectric performances of PZT films, we propose to improve PZT compositional homogeneity and slightly increase the Ti content to promote the tetragonal phase in order to amplify the phase transition under voltage.

Les couches minces d’argent sont largement employées dans l’industrie verrière à des fins d’isolation ; leur instabilité est un problème critique. Les travaux ont porté sur l’étude du démouillage (i.e. agglomération) de couches minces d’argent sur de la silice amorphe, selon deux axes : la compréhension du mécanisme par l’emploi de méthodes in situ et le contrôle du démouillage induit par une texturation du substrat à l’échelle nanométrique. Les différentes techniques de microscopie in situ ont permis de mettre en évidence le rôle particulier joué par certains grains lors du démouillage. Celui-ci se déroule en trois étapes distinctes : l’induction, la propagation, et le frittage. Les grains qui donnent lieu à des particules à la fin du démouillage sont identifiables durant toutes ces étapes. Le démouillage est fortement influencé par la présence d’oxygène dans l’atmosphère de recuit. En présence d’oxygène, certains grains très spécifiques accumulent la matière provenant du démouillage. En absence d’oxygène, l’argent se répartit sur davantage de grains, les trous adoptent une forme dendritique. Une analyse d’image a permis de montrer que le modèle capillaire usuellement employé dans la littérature ne permettait pas de décrire l’évolution constatée. Un nouveau modèle, fondé sur le rôle individuel des grains, a été proposé. Le démouillage sur des surfaces texturées permet d’obtenir des rangées de particules nanométriques organisées. Une méthode a été développée afin de minimiser les défauts intrinsèques à la méthode. Des mesures optiques effectuées sur ces échantillons ont mis en évidence une modification de l’absorption due à l’organisation spatiale des particules. / Silver thin films are widely used in the glass industry for their insulation properties. Their stability is crucial. This work focus on silver solid-state dewetting (i.e. agglomeration) on amorphous silica substrates, divided into two axes: understanding the mechanisms thanks to in situ experiments and controlling the dewetting thanks to the patterning of the substrate at the nanoscale. The various in situ microscopy techniques revealed the role of specific grains in the dewetting mechanism. Dewetting proceeds into three steps: induction, propagation and sintering. Throughout these steps, the grains that eventually give birth to particles are identified, even as early as induction. Dewetting is strongly impacted by the oxygen content of the annealing atmosphere. When present, oxygen promotes the growth of very specific grains, where all dewetted material agglomerates. Without oxygen, silver is distributed on a larger number of grains, surrounding the holes that take a dendritic shape. A cautious image processing procedure allowed us to conclude that the capillary models usually invoked were not suitable for our system. A new model, based on the role of individual grains, is suggested. Dewetting on patterned substrates is a way to produce large arrays of organised nanoparticles. A method was developed to minimize in these arrays the number of defects inherent to dewetting. Optical measurements on such arrays showed that the spatial organisation of the particles led to a specific signature in optical absorption.

Le domaine des couches minces fait l’objet d’un grand nombre d’études en raison du vaste champ d’applications. La modification de surfaces par des revêtements sous forme de couches minces a ainsi été étudiée dans le domaine biomédical afin d’améliorer les propriétés de bioactivité et biocompatibilité des matériaux. Des couches minces monocouches, Ta et TaN, ainsi que bi-couches, TaN/Ta, ont été déposées sur des substrats de verre, d’acier, SS316LVM, et de titane par pulvérisation cathodique. La caractérisation des couches par diffraction des rayons X (XRD and GIXRD) a montré que la nature du substrat a une forte influence sur la nature de la phase, Ta, formée. La formation de la phase ordonnée, Ta-a, est obtenue sur le substrat acier alors que la phase désordonnée métastable, Ta-b, se forme sur le substrat titane. Quant à la phase TaN, elle cristallise sous la forme cubique de type NaCl (Fm3m) sur les différents substrats mais présente une orientation préférentielle selon le plan (200) dans le cas du substrat verre. L’étude de la composition chimique par XPS a montré que les couches sont également constituées de phases oxydes, telles que TaxOy et TaOxNy, en raison de la forte affinité du tantale avec l’oxygène. Les observations en microscopie électronique à balayage ont mis en évidence une croissance colonnaire des couches avec une microstructure de surface dite de type « chou-fleur ». Cette microstructure est caractéristique du procédé de pulvérisation cathodique et correspond à la microstructure dite de zone I prédite par le modèle de Thornton, dérivé du modèle de Movchan and Demchishin. Des méthodes biomimétiques ont été utilisées afin d’évaluer la bioactivité des couches minces étudiées. Dans ce but, les échantillons ont été immergés dans un fluide biologique (SBF, Simulated Body Fluid) afin de promouvoir le dépôt de phosphate de calcium. Après étude de fluides de compositions différentes, le fluide SBF 1.5, enrichi en ions Ca2 + and PO43-, a été choisi. Les analyses par XRD, FTIR et XPS ont mis en évidence la formation en surface d’une couche cristalline d’hydroxyapatite quelle que soit la nature des sous-couches, Ta, TaN ou TaN/Ta, après immersion de trois semaines. Le mécanisme de dépôt d’hydroxyapatite implique la formation de liaisons Ta-OH par hydratation de la couche passive d’oxyde de tantale présente en surface.Pour étudier les propriétés de biocompatibilité, les échantillons ont été placés en milieux de culture contenant des ostéoblastes. Tous les matériaux observés présentent une adhésion des cellules en surface avec la formation de filipodia. L’un des principaux problèmes des implants osseux est la formation en surface d’un biofilm du à la colonisation de bactéries. Des essais en milieu bactériologique ont donc été réalisés avec des bactéries de type Pseudomonas Aeruginosa, agents pathogènes très fréquemment observés lors d’opérations chirurgicales. Ces essais expérimentaux ont permis de déterminer la réaction des différents matériaux étudiés au contact de ces bactéries. Il s’est avéré que l’adjonction de couches de tantale permet de réduire fortement la formation de bio-films en comparaison avec des couches de titane, qui présentent une croissance importante de bio-films à base de P. aeruginosa.Des films minces de silice ont également été étudiés en tant qu’agents bactéricides. Ces études ont montré l’absence de colonies microbiennes et l’absence de la formation de bio-films en surface. / Thin films have been the subject of intense study in materials because they offer multiple applications of great interest. Various surfaces have been modified with thin films or coatings to study how to improve their bioactivity and biocompatibility properties to form a biomaterial. Thin films of Ta, TaN and Ta/TaN were deposited on glass substrates, metallic substrates, SS316LVM and Ti, by RF Sputtering technique. By High angle XRD and GIXRD it was found that the nature of the substrate has a strong influence on the Ta phase formed. Formation of ordered α-Ta phase was obtained on SS316LVM, but the disordered metastable β-Ta phase was formed on Ti and on TaN substrates. While TaN crystallizes in the cubic phase (Fm3m) NaCl type on metallic substrates but shows a preferential orientation in the (200) plane on the glass substrate. The chemical analysis of the surfaces by XPS reveals that in the surfaces of the deposited layers are several oxidized chemical species such as Ta2O5, TaOxNy TaxOy due to Ta is a very reactive metal and is readily oxidized even at low partial pressures as for our synthesis conditions. Characterization by Scanning Electron Microscopy reveals that the microstructure of the films was homogeneous with small clusters size and a cauliflower type, also the films exhibit the typical columnar growth for films deposited by PVD techniques, following the growth of zone I described by the model developed by Movchan and Demchisin and Thornton. Biomimetic method was used to evaluate the bioactivity in all surfaces which involves immersing the thin films in simulated body fluid (SBF) to promote the deposition of calcium phosphates, two concentrations were used to assess qualitatively which could deposit the stoichiometric calcium phosphate hydroxyapatite and make it more efficiently. The SBF 1.5 enriched in Ca2 + and PO43- ions was chosen. A new layer was deposited upon the surfaces and it was determined by XRD, FTIR and XPS that crystalline Hydroxyapatite phase was formed, so that all our surfaces have the ability to form apatite spontaneously after an immersion period of three weeks. The mechanism of deposition of HAp involves the formation of small amounts of Ta-OH groups by a hydration of the tantalum oxide passive layer on its surface. To study biocompatibility properties, films were placed in cell culture containing osteoblasts, all surfaces exhibit cell adhesion and formation of filipodia. Whereas one of the main problems of bone implants is biofilm formation caused by bacterial colonization, tests were made with the bacterium Pseudomonas Aeruginosa, which is a major human opportunistic pathogens in surgical procedures, causing infections in soft tissue, bones, among others. This assay allowed us to know how the different surfaces react when exposed to this bacteria, Titanium had greater growth of P. aeruginosa and biofilm formation in all periods of study, while Ta surfaces showed the lowest activity of biofilm formation. Mesoporous silica thin films where used as bactericidal agents, and it was found by MEB that no microbial colonization or biofilm formation occur on these surfaces.

Dans cette thèse, les mécanismes de rayures en contact glissant sur des empilements de couches minces de faible adhésion ont été étudiés grâce à un tribomètre bille/plan à vision in-situ. Dans le cadre de ce travail, des expériences ont été menées sur un empilement modèle : verre/ZnO/Ag/ZnO/Si3N4 et l'impact de plusieurs paramètres a été étudié : force, taille de la bille, épaisseur de la surcouche, adhésion et coefficient de frottement.Nous avons montré que la rayure se déroule en trois phases successives : initiation, développement et régime stationnaire. L'initiation débute par une fissuration transverse de l’empilement suivi par un délaminage due à la bifurcation de la fissure à l’interface au-dessus de l’argent. Seule la taille caractéristique de ces phénomènes dépend de paramètres comme l'épaisseur des couches ou l'adhésion. Après l'initiation, un phénomène de plissage en milieu confiné se produit et permet de débuter la construction d'un tas de débris à l’avant du frotteur par accumulation. Finalement, en régime stationnaire, on constate que la rayure est uniquement pilotée par l’interaction entre le tas de débris et la couche. On a montré que la complexité de cette interaction rend toute mesure d’adhésion à partir des caractéristiques post-mortem de la rayure quasi-impossible.Finalement, il a été montré qu'il est possible d'améliorer la résistance à la rayure d’un empilement en texturant à l'échelle nanométrique sa couche d'argent. L’origine de cette amélioration vient d’une augmentation de l'adhésion par un effet de piégeage qui a été étudié à l'aide d'expériences de clivage. / In this PhD thesis, the scratch mechanisms during sliding contact on thin layers with low adhesion have been investigated with a ball on plane tribometer that allows in-situ microscopic observations. In this work, experiments were carried out on glass/ZnO/Ag/ZnO/Si3N4 model stacks and the impact of several parameters was studied: force, size of the ball, thickness of the overcoat, adhesion and friction coefficient.We have shown that the scratch process has three successive phases: initiation, development and steady state. Initiation begins with transverse cracks in the stack followed by delamination due to crack bifurcation at the interface above the silver layer. Only the characteristic size of these phenomena depends on parameters such as the thickness of the layer or its adhesion. After initiation, a phenomenon of pleating occurs even if confined under the contact and leads to the building of a pile of debris at the front of the contact zone by accumulation. Finally, in steady state, the scratch is only driven by the interaction between the pile of debris and the layers. It has been shown that the complexity of this interaction makes quasi-impossible any measure of adhesion based on the post mortem characteristics of the scratch.Finally, it has been shown that it is possible to improve the scratch resistance of a stack by patterning its silver layer at nanoscale. The origin of this improvement derives from an increase of adhesion due to pinning effect which has been demonstrated by using cleavage experiments.

Élaborer et optimiser des nouveaux matériaux restent toujours parmi les enjeux liés à l'amélioration de la performance de la durabilité des matériaux.Le domaine des traitements de surface et plus particulièrement les nanotechnologies utilisées pour produire des revêtements en couches minces plus précisément les dépôts physiques en phase vapeur (PVD), permet de synthétiser des nouveaux matériaux qui peuvent résister dans des conditions sévères de diverses applications.L'industrie des outils de coupe et plus précisément le bois dans notre cas, nécessitent de plus en plus la synthèse des nouveaux matériaux et nanomatériaux pour améliorer la tenue en service des outils de coupe.L'objectif de ce présent travail est de développer et caractériser des revêtements dont le matériau de base est le chrome et/ou le silicium en vue de les optimiser. L'élaboration a été réalisée par différentes méthodes à savoir la pulvérisation cathodique magnétron radio fréquence ou encore en mode courant direct. En outre, la RGPP (reactive gas pulsing process) a été exploité pour la première fois dans ce travail dont le but est de surmonter les difficultés rencontrées avec la pulvérisation réactive.Les différentes caractéristiques mécaniques et tribologiques des couches ont été étudiées et corrélées avec les caractéristiques physicochimiques et microstructurales.Il s'avère que la pulvérisation cathodique en mode courant direct prouve son importance par l'obtention des couches de meilleure qualité que celles obtenues en mode radio fréquence. Pour des contenus d'azote similaires on obtient des propriétés mécaniques et tribologiques plus importantes. On note que les propriétés mécaniques réalisent un gain de 60 % par rapport à celles obtenues en mode RF. En outre l'ajustement des paramètres de la méthode RGPP (le rapport cyclique et la période des pulses) influe considérablement les caractéristiques des couches obtenues et on montre une amélioration de la performance des couches. A l'issue de l'injection pulsée du gaz réactif, on montre que l'alternance entre l'ouverture et la coupure de la vanne du gaz réactif est indispensable pour la déposition dans un milieu réactif afin d'éliminer les composés métalliques sur les cibles obtenus lors de dépôt.Enfin, l'ajout de silicium au CrN mène à obtenir des solutions solides ou une structure nanocomposite selon la teneur de silicium dans la couche ce qui implique une amélioration des caractéristiques mécaniques et par la suite celles tribologiques.L'apport de ce travail de thèse est de présenter une étude globale sur la performance des couches CrN et CrSiN en corrélant ses caractéristiques mécaniques et tribologiques avec les paramètres physiques de dépôt et en adoptant plusieurs méthodes d'élaboration. / Develop and optimize new materials are still among the issues to improve the performance of the durability of materials.The field of surface treatments and nanotechnology used to produce thin film coatings specifically physical vapor deposition (PVD) allow the synthesis of new materials that can withstand harsh conditions in various applications.The cutting tool industry and more specifically the wood in our case require more synthesis of new materials and nanomaterials to improve the serviceability of cutting tools.The aim of the present work is to develop and characterize coatings with the base material is chromium and / or silicon and optimize them. The preparation was carried out by different methods : the magnetron sputtering radio frequency RF or direct current mode DC. In addition, RGPP (reactive gas pulsing process) was used for the first time in this work which aims to overcome the difficulties of sputtering in reactive environment.Different characteristics of the layers were studied and correlated with the physicochemical and microstructural characteristics.It turns out that the direct current sputtering method proves its importance in obtaining layers of better quality than those obtained by radio-frequency mode. For similar nitrogen content, greater mechanical and tribological properties were obtained. We note that the mechanical properties realize a gain of 60% compared to those obtained in RF mode. Further adjustment of parameters RGPP method (duty cycle and pulse period) significantly influences the characteristics of the layers obtained and shown to improve the performance of layers. Following the pulsed injection of the reactive gas, it is shown that the alternation between the opening and the cutting of the valve of the reactive gas is essential for deposition in a reactive environment to remove the metal compounds on targets obtained during deposition.Finally, the addition of silicon in CrN films leads to obtain solid solutions or nanocomposite structure according to the content of silicon in the layer which implies an improvement of the mechanical and tribological properties.The contribution of this thesis is to present a comprehensive study on the performance of CrN layers and CrSiN correlating mechanical and tribological characteristics with physical deposition parameters by adopting various methods of preparation.

Ces travaux traitent de phénomènes diffusifs pouvant se dérouler à la surface de verres fonctionnalisés avec des couches minces de silicates lors de traitements thermiques. La gamme de température considérée s’étend de 550°C à 1050°C. Les échanges diffusifs entre le verre et l’empilement de couches minces conduisent souvent à une diminution des propriétés des couches actives. Les échanges entre un verre plat silico-sodocalcique et des couches minces de silice (pouvant être dopées alumine) se déroulent avec deux cinétiques distinctes. Une diffusion rapide des alcalins du verre vers la silice est observée dans un premier temps, conduisant ensuite à une homogénéisation plus lente entre le substrat et la couche, déclenchée par la diminution de la viscosité de la silice. Le paramètre clé contrôlant ces deux étapes est la quantité d’alumine présente dans la silice. En effet, la couche incorpore des alcalins sous forme de compensateur de charge et modificateur de réseau en quantités proportionnelles à la teneur en alumine. Plutôt que de les limiter, ces phénomènes diffusifs peuvent également être contrôlés pour obtenir par exemple de la séparation de phases dans ces géométries « couche mince ». Dans les couches de compositions SiO2-BaO-B2O3 étudiées, la morphologie après démixtion et la croissance des domaines sont pilotées d’une part par des paramètres similaires à ceux dans les verres massifs (température, composition, durée recuit, …) mais également par des énergies de surface qui deviennent non négligeables. La nucléation des phases dans ces systèmes confinés se fait alors préférentiellement en surface et l’épaisseur des couches à un impact direct sur la taille des domaines. / This work studies diffusive phenomena on glass surface functionalized with silicate thin films during thermal treatments. The temperature range extends from 550°C to 1050°C. In most cases diffusive phenomena between glass substrate and thin films stack can lead to a decrease of the properties of the active layers. Diffusive exchanges between a soda-lime flat glass and silica thin films (which can be doped with alumina), take place with two distinct kinetics. A fast migration of alkali ions from glass to silica is first observed, followed by a slow homogenization at the interface between the silica layer and the glass substrate due to the silica viscosity decrease. The key parameter which controls these two steps is the amount of aluminum in the silica layer. Indeed, the layer incorporates alkali ions in the form of charge compensator and network modifier in quantities depending linearly to the alumina content. Rather than limiting them systematically, these diffusive phenomena can also be controlled in order to obtain for example phase separation in these “thin film” geometries. For the silicate layers with SiO2-BaO-B2O3 compositions studied in this work, the morphology after phase separation and the kinetics of domains growth are influenced by similar parameters than in bulk glasses (such as temperature, composition, annealing duration, …) but also by surface energies which become non-negligible. In these confined systems, nucleation of phase separated domains occurs then preferentially at the interface with air and the thin film thickness influences directly the domains size.