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.

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.

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.

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.

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.

Cette thèse s'intéresse, à la diffraction d'ondes électromagnétiques par un matériau ferromagnétique obéissant à la loi non-linéaire de Landau-Lifshitz, et comporte trois parties. On étudie dans la première partie le problème de Cauchy formé par le système de Maxwell et la loi de L.L. On y montre l'existence et l'unicité des solutions fortes en 2D. La deuxième partie traite le problème de diffraction par un revêtement ferromagnétique de faible épaisseur. La couche mince est remplacée par des conditions aux limites équivalentes, obtenues via un développement asymptotique par rapport à l'épaisseur et permettant un calcul approchée de la solution. La stabilité (ou instabilité) de ces conditions est analysée dans le cas général mais l'étude de l'erreur pour le problème non-linéaire n'a été faite que pour le modèle 1D. On propose et on étudie ensuite deux schémas de discrétisation en temps. L'intérêt pratique de ces conditions équivalentes a été mis en évidence par des expériences numériques 1D et 2D. La troisième partie est consacrée à l'homogénéisation d'un milieu ferromagnétique périodique. Le modèle homogénéisé est présenté dans le cas général et comprend une loi non linéaire micro-macro non locale. La convergence double échelle est montrée dans le cas laminaire. Le procédé d'homogénéisation est également validé numériquement dans ce cas.

Dans le but d'améliorer les performances d'électrodes à base d'IO ou d'ITO, une étude comparative des propriétés électroniques de monocristaux, de céramiques et de couches minces a été réalisée. Nous avons pu ainsi proposer de nouveaux éléments dopants et, corrélativement, de nouvelles électrodes transparentes et conductrices (IO:Ge, ITO:Ge, ...).

Les couches minces à bas indice de réfraction présentent un intérêt important pour ajuster les propriétés optiques de certains dispositifs, par exemple leur réflectivité. Les couches sol-gel mésoporeuses de silice préparées par auto-assemblage de tensioactif ont été l'objet de nombreuses études mais présentent un indice de réfraction très peu stable puisqu'elles peuvent être le lieu de condensation capillaire d'eau atmosphérique. Pour dépasser ce problème, nous avons préparé des couches sol-gel poreuses de silice, structurées par des latex synthétisés spécifiquement, avec des tailles de pores supérieures à 30 nm, pour lesquelles la condensation capillaire n'a pas lieu. Ces couches ne présentent pas de microporosité dans les murs de silice, ce qui permet d'ajuster indépendamment et précisément la taille des pores, leur fraction volumique ainsi que leur chimie de surface. L'accessibilité des pores en fonction de leur taille et de la fraction poreuse a été étudiée par ellipsométrie-porosimétrie et par annihilation de positons. Une transition de percolation entre une porosité ouverte et fermée a été observée lorsque l'on fait décroître la fraction poreuse. Les propriétés mécaniques des couches ont été étudiées par nanoindentation : nous avons montré que module d'Young et dureté suivent un modèle de surface solide minimale. Le caractère modèle des propriétés structurales et mécaniques des couches ainsi préparées nous permet d'envisager une optimisation des propriétés du matériau. Ces couches poreuses avec un indice de réfraction très stable et ajustable sur une large gamme (de 1,10 à 1,45) sont ainsi très prometteuses pour des applications optiques

Nous avons réalisé la simulation numérique de la croissance homoépitaxiale de couches d'oxyde de magnésium. Nous avons construit un modèle de la croissance complet et réaliste avec la prise en compte de nombreux phénomènes élémentaires. Nous avons également étudié l'influence de ces phénomènes sur la morphologie et l'épaisseur des couches obtenues. La diffusion de surface a fait l'objet d'une attention particulière : diffusion des molécules de MgO et des lacunes de magnésium et d'oxygène. Le défaut de Schottky a été étudié en simulation par Dynamique Moléculaire à la surface MgO{100} et au bord d'une marche monoatomique <100>. Les enthalpies de formation calculées augmentent de manière monotone avec la distance entre les lacunes cationique et anionique, en surface ou au bord de la marche, comme en volume. La configuration la plus stable du défaut de Schottky est la bilacune au bord de la marche. Le mécanisme de migration a été élucidé et un état intermédiaire a été identifié. Les enthalpies d'activation associées ont été déterminées dans l'intervalle de températures 700 K-1100 K. Les lacunes de magnésium et d'oxygène sont très mobiles et peuvent jouer un rôle au cours de la croissance cristalline. Nous avons développé un code de Monte Carlo Cinétique (MCC), qui fait appel aux résultats de l'étude du défaut de Schottky et a donc rassemblé la diffusion des lacunes et la diffusion des molécules dans le modèle de la croissance. Cela nous a permis d'obtenir des résultats inaccessibles par d'autres méthodes. En effet, le MCC est efficace quand cohabitent des événements rapides comme la diffusion et des événements lents comme le dépôt des molécules. Nous avons utilisé ce code pour simuler la croissance homoépitaxiale de MgO{100}. Nous avons porté notre attention sur le rôle de chaque type de diffusion et sur la contribution de chaque mécanisme à la qualité des couches obtenues. Nous avons mis en évidence que, pour obtenir des surfaces lisses, il faut prendre en compte l'ensemble des mécanismes de diffusion. Nous avons montré que la diffusion des lacunes joue un rôle important dans la croissance des couches de MgO. La présence simultanée dans le modéle de la diffusion des molécules et de la diffusion des lacunes donne des couches minces de meilleure qualité. La croissance se fait couche par couche, en accord avec les données expérimentales. La valeur de la rugosité de 0.4 ± 0.1 nm dans l'intervalle de températures de 700 K-1100 K est compatible avec les résultats expérimentaux de Chambers et al..