Pour que l'énergie photovoltaïque devienne compétitive, les coûts de production doivent être baissés et l'efficacité des cellules augmentée. Les cellules solaires à base de nanocristaux semi-conducteurs constituent une approche prometteuse pour remplir ces objectifs combinant une mise en œuvre par voie liquide avec la possibilité d'ajuster précisément la largeur de bande interdite et les niveaux électroniques. Aujourd'hui, les rendements de conversion des cellules constituées de nanocristaux de sulfure de plomb approchent les 7%. Seulement, à cause des normes européennes destinées à l'affranchissement du plomb du fait de ses risques pour la santé et l'environnement, de nouveaux matériaux doivent être trouvés. Cette thèse concerne la synthèse de nouveaux types de nanocristaux semi-conducteurs et leur application dans des cellules solaires. La synthèse des nanocristaux de CuInSe2 et de SnS de taille et de forme contrôlées a été effectuée, notamment par des voies de synthèses reproductibles dont le passage à grande échelle est facilement possible. Une analyse approfondie de la structure des nanocristaux de SnS par spectroscopie Mössbauer a montré que ces nanocristaux avaient une forte tendance à s'oxyder, ce qui limite leur utilisation dans des dispositifs électroniques après exposition à l'air. La constitution de couches minces continues ayant de bonnes propriétés électriques a été effectuée par le dépôt contrôlé de nanocristaux ainsi que l'échange de leurs ligands de surface. En particulier, un nouveau type de ligand inorganique a été utilisé qui a montré une augmentation de la conductivité des films multiplié par quatre ordres de grandeurs par rapport aux ligands initiaux. Enfin, la préparation de cellules solaires basées sur ces couches minces de nanocristaux a montré des résultats encourageants et notamment un clair effet photovoltaïque lorsque le dépôt est effectué sous atmosphère inerte.

Dans le but de réaliser des jonctions p/n monocristallines en diamant orienté selon {111}, des études ont été menées sur le substrat de diamant et sur les couches de diamant CVD dopées de type n au Phosphore et de type p au Bore. <br />Les défauts de surface et internes au substrat de diamant ont été analysés par des observations optiques, des mesures AFM et par des mesures en diffraction de rayons X. Les défauts dus au polissage de la surface du substrat ont en particulier été identifiés comme pouvant détériorer la qualité cristalline des couches CVD.<br />Un prétraitement par gravure RIE de la surface du substrat avant la croissance a été utilisé dans le but de supprimer les défauts induits par le polissage mécanique. Des paires d'échantillons dopés phosphore simultanément homoépitaxiés sur substrats non traités et prétraités RIE ont été caractérisées par cathodoluminescence et effet Hall. L'efficacité de la gravure de la surface du substrat a été prouvée par la diminution de l'émission de bande A reliée aux dislocations et par l'augmentation de la mobilité électronique de Hall pour les échantillons prétraités. Les données expérimentales ont été comparées à un modèle de mobilité basé sur l'approximation du temps de relaxation permettant de mettre en évidence la dépendance en température des différents modes de diffusion par les impuretés et les phonons ainsi que la détermination du potentiel de déformation acoustique du diamant de 17.7 eV. La valeur maximum de mobilité électronique possible à l'équilibre thermodynamique a ainsi pu être déterminée. Un nouveau mode de diffusion a été mis en évidence pour les échantillons non traités.<br />Les propriétés cristallines, optiques et électroniques d'une série de couches minces diamant CVD {111} couvrant une large gamme de dopage de 2x1015 à 3x1021 atomes de bore par cm3 ont été examinées en fonction de l'incorporation d'atomes dopants mesurés par SIMS.<br />Deux jonctions p/n, l'une réalisée sur un substrat fortement dopé bore, l'autre sur un substrat non dopé ont finalement été réalisées. Les caractéristiques I(V), les spectres de cathodoluminescence et d'électroluminescence et les résultats d'EBIC ont été comparés puis discutés.

La magnétite Fe3O4, bien qu'elle soit le plus ancien matériau magnétique connu, est l'objet de problématiques pertinentes pour la physique d'aujourd'hui. Depuis le milieu des années 1990, ce matériau a été revisité dans le cadre du développement de l'électronique de spin. En effet, les calculs de bandes lui ont prédit un caractère demi-métallique qui, associé à sa haute température d'ordre magnétique (850~K), laisse espérer des effets magnétorésistifs importants à température ambiante. Fe3O4 possède en outre des propriétés électriques originales: mécanisme de transport par saut, forte résistivité à basse température, transition métal-isolant. Nous avons étudié les propriétés de couches minces de Fe3O4 épitaxiées par ablation laser. Leur magnétisme présente des particularités liées à des hétérogénéités de composition ou aux défauts structurels propres à ces couches (parois d'antiphase). Nous avons ensuite réalisé des structures multicouches mettant en évidence pour la première fois des effets magnétorésistifs propres aux oxydes, notamment un effet de magnétorésistance géante spéculaire et un effet de magnétorésistance sans espaceur.

Des couches minces et des membranes photoactives à base d'anatase nanocristalline et à mésoporosité ordonnée, obtenues par effet d'empreinte de mésophases structurantes, ont été réalisées en vue du couplage direct séparation membranaire et réaction photocatalysée. Une méthode de synthèse par voie sol-gel de sol d'anatase nanocristalline à basse température a été mise au point. Des couches minces et des membranes mésostructurées ont été préparées à partir de ce sol en utilisant des copolymères triblocs de type poly (oxy éthylène)- bloc – poly (oxy propylène)- bloc – poly (oxy éthylène). Ces molécules amphiphiles forment par auto-assemblage des mésophases structurantes. Deux mésostructures différentes ont été obtenues : une mésostructure initialement hexagonale 2D de type cristallographique p6mm, correspondant à un arrangement compact de micelles cylindriques puis de pores cylindriques, et une mésostructure cubique de type cristallographique Fm3m, présentant des pores sphériques, issue d'une mésophase micellaire cubique. Nous avons montré qu'il est possible de détruire la mésophase structurante à basse température (150°C), en utilisant les propriétés photocatalytiques de l'anatase. Ceci permet d'envisager le dépôt de ces couches minces sur des supports thermosensibles. Nous avons aussi exploré la possibilité de réaliser des couches mixtes ordonnées TiO2/SiO2 et des films dopés pour étendre le domaine de la photoactivité du matériau vers la lumière visible. Ces couches minces et ces membranes ont été testées en photocatalyse. Elles ont montré leur efficacité élevée. Des tests préliminaires de couplage direct séparation/photodégradation ont été réalisés sur une solution aqueuse de bleu de méthylène. Les membranes ont été également caractérisées en perméation des liquides et des gaz.

La technique de croissance assistée par faisceau focalisé d'électrons offre des perspectives attrayantes pour la nano et micro-fabrication en trois dimensions. Les faisceaux d'électrons peuvent être focalisés sur des dimensions inférieures à 1 Å, ce qui permet l'observation, l'analyse et la modification d'objets à l'échelle atomique. De nombreuses applications peuvent être envisagées, mais supposent une description précise des mécanismes physico-chimiques mis en jeu.<br /><br />Une étude bibliographique montre d'abord que cette technique est dérivée du phénomène de contamination observé en microscopie électronique. Puis, afin d'en faire un outil expérimental efficace, un microscope électronique à balayage a été muni de systèmes d'approvisionnement en gaz précurseur et de condensation. De nouvelles méthodes électriques et optiques ont été mises au point pour le suivi in-situ du procédé. La démarche scientifique s'est déroulée en deux phases. La physique du phénomène a d'abord été étudiée, en déposant des films minces de carbone, d'un composite cuivre-carbone, puis d'or pur. La propagation des électrons dans ces films a été décrite grâce à la mesure en continu de la fraction du courant de sonde absorbée dans l'échantillon. Les effets des électrons diffusés sur le taux de croissance ont été étudiés. Un modèle physique a été développé pour rendre compte des résultats. La deuxième phase a été la croissance de pointes composites sous un faisceau immobile. La forme des pointes est déterminée par la diffusion des électrons. Un modèle physique décrivant les trajectoires des électrons à l'intérieur et autour des pointes a été mis au point. La troisième phase a été la construction de micro-structures tridimensionnelles, dont la forme illustre les effets de la profondeur de pénétration des électrons, qui est plus grande que l'épaisseur des dépôts.<br /><br />Pour comprendre la chimie du phénomène, les dépôts de carbone obtenus ont été analysés par plusieurs techniques de micro-sonde. Tous les dépôts obtenus à partir de précurseurs pourtant différents avaient la composition C9H2±xO1±x (x<1). La fraction d'hybridation sp2 de la phase carbone amorphe est de 90%. Le taux de croissance augmente avec la pression de vapeur, le moment dipolaire et la masse moléculaire du précurseur. Il diminue avec la température de l'échantillon. La réaction de fixation du précurseur adsorbé est une ionisation, suivie de la perte des éléments volatils H, N, O, F et Cl. L'analyse des dépôts composites de métaux a montré qu'ils peuvent être conducteurs. Des micro-dispositifs ont été démontrés, comme un contact électrique à un nanotube et un capteur de champ magnétique présentant une surface active de 500 × 500 nm2.

La première partie de cette thèse décrit l'élaboration et la caractérisation de couches minces supraconductrices de composition YBa2Cu3O7-d. Leurs propriétés de transport ont été analysées dans le cadre de la théorie B.C.S. La deuxième partie est relative à la mise en évidence et à l'étude des propriétés structurales de nouvelles perovskites de composition Ln2CuTiO6-d (Ln=terre rare) et AxLn2-xCu1+yTi1-yO6-d (A=alcalinoterreux). Un modèle de distribution cationique reposant sur des études de diffraction X et de microscopie électronique est proposé.

L'objectif de ce travail a été d'étudier, à l'échelle atomique et depuis les tous premiers stades, la croissance de l'oxyde de praséodyme sur des substrats de silicium orientés (111) et (001). L'étude se focalise sur la caractérisation des propriétés structurales, chimiques, et électroniques de Pr2O3 déposé sur Si(111) et Si(001), avec un accent plus particulier sur cette dernière surface, importante sur le plan technologique. Cet oxyde de terre-rare a été considéré ces dernières années comme un bon candidat "high-k'' pour se substituer à SiO2 comme oxyde de grille dans les transistors CMOS, afin de "miniaturiser'' davantage les composants électroniques. Dans ce contexte, les propriétés des surfaces et des interfaces commencent à dominer sur les performances des dispositifs à base de silicium, puisque le rapport surface/volume augmente. Comme les basses dimensions de ces structures les rendent difficilement étudiables, la brillance de la radiation synchrotron a été employée pour des analyses de diffraction des rayons X et de spectroscopie de photoélectrons. Les résultats ont été complétés par d'autres techniques de science des surfaces, telles que la microscopie à effet tunnel, la spectroscopie Auger et la diffraction d'électrons à basse énergie. Une couche epitaxiale de Pr2O3 hexagonal a été trouvée sur Si(111). Sur la surface (001), une couche ordonnée de Pr2O3 cubique est recouverte par un silicate. Puisque les surfaces atomiquement propres sont le point de départ de la croissance, elles ont également été caractérisées. En particulier, la structure atomique de la surface reconstruite Si(001)-2x1 a été analysée.

L'objectif de cet étude est de donner une caractérisation complète<br />de la structure locale de deux classes de composés : les manganites<br />de lanthane droguées avec du sodium et les doubles perovskites de<br />ferro-molybdène droguées avec du tungstène. Les deux classes se<br />comportent, en général comme de conducteurs dans leur phase<br />ferromagnétique et, suivant variations de température ou de dopage,<br />ils subissent une transition métal-isolant à laquelle il faut<br />associer une transition<br />ferromagnétique-paramagnétique(antiferromagnétique). En effet, il<br />est tout à fait accepté que aussi bien dans les manganites, que dans<br />les perovskites doubles, les propriétés de transport sont<br />influencées d'une façon importante par la structure locale (longueur<br />et angle de liaison) autour des sites clés occupés par des ions<br />magnétiques. Pour cette raison la spectroscopie d'absorption de<br />rayon X, en étant sensible à l'ordre locale autour de l'atome<br />absorbeur, constitue la technique la plus adaptée pour l'étude de<br />ces composés. La structure locale de film fins de manganite droguées<br />avec du sodium a été étudiée en fonction de l'épaisseur des film.<br />Des échantillons de poudre de perovskites double droguées avec<br />tungstène ont été étudiées pour en caractériser la structure locale<br />en fonction du dopage et pour chercher de comprendre la nature de la<br />transition métal-isolant. Il a été nécessaire de développer un<br />détecteur d'électrons. La réalisation de cet instrument s'est révélé<br />un défi du point de vue technique et il a demandé une quantité de<br />travail aussi bien sur la plan pratique que théorique. Les mesures<br />d'absorption de rayon-X ont été effectuées à la ligne de lumière<br />italienne pour la diffraction et l'absorption (GILDA-BM8) à<br />l'Installation Européenne de Rayonnement de Synchrotron (ESRF) de<br />Grenoble (France).

Thèse doctorat : Physique des matériaux et électronique. Spécialité : PLasma et optoélectronique : Metz : 2001. / Thèse : 2001METZ034S. Bibliogr. p. 191-192.

Reproduction de : Thèse doctorat : Physique : Reims : 2006. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. f. 144-147.