Réduire l'énergie générée par le frottement et dissipée dans les systèmes mécaniques réels est un des challenges actuels en tribologie. Ce point représente une importance toute particulière dans le domaine des transports terrestres. En réponse à cette nécessité, les constructeurs automobiles se concentrent sur la réduction de la consommation d'énergie en sélectionnant des lubrifiants et des matériaux appropriés d'une part et les systèmes mécaniques performants d'autre part. Grâce à leurs propriétés physiques et tribologiques en termes de réduction de la friction et de l'usure, les couches minces de DLC (Diamond-like Carbon) sont considérées comme l'une des solutions. Le comportement tribologique de couches minces de ta-C (carbone amorphe très dur dépourvu d'hydrogène) et de a-C:H (carbone amorphe hydrogéné) est ici exploré. D'autre part, des "lubrifiants verts" et des additifs participant aussi à la réduction du frottement et de l'usure sont testés. Ces essais sont effectués dans différentes conditions en utilisant une nouvelle méthodologie expérimentale. Le tribomètre dynamique oscillant développé au LTDS possède la capacité de quantifier avec une très grande précision et sans recourir à une quelconque mesure de force, des niveaux de frottement faibles (dans la gamme 10 - 5 à 10 - 2), et permet en plus d'identifier différentes contributions du frottement. Dans un premier temps, une loi de frottement linéaire a été utilisée afin d'évaluer deux contributions de frottement. La première, μ0 est le coefficient transitoire de frottement quand la vitesse s'annule au changement de direction (du type frottement de Coulomb). La seconde, μ1, est une contribution dépendante de la vitesse de glissement. Ensuite, une étude numérique a été réalisée en appliquant une loi de frottement quadratique afin de mieux comprendre l'aspect dynamique des réponses libres. Cela nous a permis d'étudier numériquement la décroissance d'amplitude des oscillations déterminée grâce à la méthode de moindres carrés. Nous nous intéressons aussi à l'étude des formes de l'enveloppe de ces oscillations en relation avec le modèle de frottement. Les résultats numériques et expérimentaux pour les lois de frottement linéaire et quadratique sont ensuite comparés. En complément, nous avons mesuré la force tangentielle correspondant aux tribosystèmes testés. Finalement, nous avons étudié numériquement un système dynamique masse-ressort à un degré de liberté, modélisé par la loi de frottement LuGre. Cette loi est décrite par le phénomène d'hystérésis et l'effet de décalage de temps qui ont été détectés expérimentalement. Les résultats expérimentaux obtenus avec le tribomètre oscillant montrent qu'ils sont qualitativement comparables à ceux obtenus en configuration classique cylindre-plan, travaillant à vitesse de glissement constante. Dans tous les cas, les résultats montrent la supériorité du tribosystème ta-C/ta-C dans la réduction du frottement μ0. De plus, les résultats numériques et expérimentaux sont cohérents. Cette étude montre qu'une loi de frottement quadratique est capable de décrire correctement toutes les formes d'enveloppes obtenues expérimentalement : droite, convexe, concave et une combinaison des formes convexe et concave.

Les travaux de cette thèse concernent l'étude de l'influence des conditions de dépôt sur la microstructure et les propriétés optiques de monocouches dans le but de réaliser des filtres optiques particuliers commercialisables. La méthode de dépôt utilisée est l'évaporation par canon à électrons avec assistance ionique. L'un des deux projets a été de vérifier la faisabilité de filtres optiques infrarouges dans la gamme [2-15] µm avec des matériaux non toxiques. Les monocouches des trois fluorures étudiées ont montré des comportements différents suivant les conditions de dépôt, notamment suivant la température du substrat qui influe fortement sur leur microstructure. L'association du BaF₂ au germanium, avec des réglages optimisés, montre pour différents filtres réalisés des résultats proches de la théorie. Ces filtres sont donc commercialisables. Le second projet a été de développer une machine de dépôt dans le but de pouvoir réaliser des filtres complexes d'une centaine de couches d'épaisseur variable (de 15 à 300 nm) associant des monocouches de TiO₂ à des monocouches de SiO₂. L'étude de l'influence des paramètres de dépôts (pression, assistance ionique, préchauffage du matériau) au travers différentes caractérisations (MEB, AFM, ellipsométrie) a permis une optimisation des réglages de l'enceinte de dépôt plus efficace et adaptée en fonction des spécifications des filtres optiques à réaliser. Puis, une étude ellipsométrique poussée de l'indice de réfraction des monocouches de TiO₂ en fonction de leur épaisseur a conduit à une nette évolution des résultats pour la réalisation du filtre complexe.

Ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre du programme européen INNOSHADE, dont l’objectif était la réalisation de dispositifs électrochromes à coloration neutre. Cette coloration neutre est le résultat de l’association dans un même dispositif de la couleur marron de films à base d’oxyde de nickel avec celle bleue de films d’oxyde de tungstène ou de PEDOT. Nos recherches ont été orientées vers des films minces d’oxyde de nickel modifié contenant des ions nickel trivalent, alliant porosité et désordre structural. Deux techniques de dépôt ont été utilisées : l’ablation laser et le trempage-retrait (dip-coating). Des processus de coloration et de décoloration de ces films en milieux liquides ioniques hydrophobes lithiés et non lithiés, faisant intervenir la participation d’anions tels que TFSI-, ont été mis en évidence pour la première fois dans cette thèse. Les dispositifs tout solides correspondants présentent des efficacités optiques élevées et une bonne durabilité. / Electrochromic devices, ECDs, are able to change their optical properties under an applied voltage. In the framework of the European project INNOSHADE, the aim of the current work is the development of neutral color ECDs based on nickel oxide thin films as counter electrode. Ni3+ containing NiO thin films, called modified NiO thin films, were deposited both by Pulsed Laser Deposition and chemical route. When cycled in lithium based electrolyte, the comparison of the EC behavior of non-stoichiometric NiO thin films points out a higher electrochemical capacity associated with a larger optical contrast for the films synthesized by chemical route due in particular to a larger porosity. Highlighting a novel approach, herein we demonstrate faster kinetics for modified NiO thin films cycled in lithium ion free electrolyte and suggest the participation of anions. High electrochromic efficiency and nice durability of all-solid state devices associating modified NiO and WO3 or Poly(3,4 –ethylenedioxythiophene) PEDOT layers are reported.

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. / The growing use of miniaturized electronic devices results in a strong demand in high-performance energy microsources, such as lithium microbatteries. In order to improve electrolyte properties, we have studied the electrical and thermomechanical properties of bulk electrolyte based on lithium borate glasses. A correlation between ionic conductivity and thermal expansion coefficient has been evidenced for bulk materials. Further to CTE results, a predicting model based on studies leaded by Appen allowing a determination of CTE as a function of the chemical composition has been developed. In a second time, different preparation techniques of dense nitrated targets have been implemented in order to decrease their CTE and to allow their use for a longer period. Otherwise, nitrated targets have also been considered to increase the nitrogen content in thin films. Finally, electrolyte thin films of different compositions have been prepared by rf magnetron sputtering (under pure argon or nitrogen gas) and have been chemically, structurally, electrically and thermomecanically characterized. The favorable influence of nitrogen on the ionic conductivity of thin films has been confirmed.

Ce travail porte sur la recherche de différentes compositions de couches minces pouraccumulateurs Li-ion.Une première partie a été dédiée au dépôts de cathode sous forme de couche mince d’unmatériau connu, LiCoO2, et d’un matériau alternatif, Li(NiMnCo)O2 en utilisant le dépôtphysique en phase vapeur (PVD) et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD),respectivement. Les résultats (LiCoO2) ont montrés comment, après cyclage, il y a diminutionde la capacité à cycler à régime rapide et augmentation de la résistance à l’interface. Ladiffraction des rayons X a montré la présence de différentes orientations, peu cristallisées,appartenant à la phase LiCoO2 HT selon confirmation par la littérature. Les couches mincesde Li(NixMnyCo1-x-y)O2 ont été préparées par dépôt chimique en phase vapeur assisté paraérosol. La diffraction des rayons X et l’analyse Rietveld utilisant le modèle March-Dollase aété mise en oeuvre pour la détermination de la texture et des caractéristiques microstructurales.La morphologie des films a été caractérisée par microscopie électronique à balayage. L’étudea montré que la concentration de la solution de précurseur et la pression totale ont un effetmajeur sur la morphologie des films et leur texture.Une seconde partie s’est focalisée sur l’interface cathode-électrolyte pour trois cas d’étude : 1)couche mince de matériau de cathode LiCoO2, 2) couche mince de LiCoO2 recouvert de ZrO2et 3) couche mince de LiCoO2 recouvert de LIPON. L’interface cathode-électrolyte de cestrois cas d’étude a été étudiée avant et après cyclage galvanostatique afin de déterminer lescaractéristiques de la couche de surface et les changements provenant à l’interface lors dufonctionnement de l’accumulateur. L’interface des couches minces de LiCoO2 a été étudiéeplus en détail après trempage dans un électrolyte liquide afin de comprendre l’effet desprocédures de stockages courts dans les accumulateurs.De plus, les couches minces de LiPON ont été étudiées sur la base de changementsstructuraux se produisant avec la nitruration et sa corrélation à un possible mécanisme ayantlieu durant la conduction ionique. / The present work was based on the investigation of different thin film components of Li ionbatteries. A first part was dedicated to the deposition of cathodes in thin film form of aknown material, LiCoO2, and an alternative one, Li(NiMnCo)O2 employing physical vapordeposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD), respectively. Results on thedeposition of LiCoO2 showed how after cycling there is a reduction of rate capability andincrease in interface resistance. The X-ray diffraction pattern showed the presence of severalorientations related to the known HT phases found in literature for LiCoO2 with lowcrystallinity. On the other hand Li(NixMnyCoz)O2 thin films prepared via aerosol assistedCVD were analyzed with X-ray diffraction and Rietveld refinement using the March-Dollasemodel for the determination of the texturing and microstructural characteristics. Additionallythe morphology of the films was characterized using scanning electron microscopy. Theinvestigation showed that concentration of precursor solution and process pressures have asignificant effect on the film morphology and texturing. A second part was focused on the cathode-electrolyte interface for three case studies: 1) asdeposited LiCoO2 cathode thin film, 2) ZrO2 coated LiCoO2 thin film and 3) LiPON coatedLiCoO2 thin film. The interface cathode-electrolyte of these three cases were studied beforeand after galvanostatic cycling to determine surface layer characteristics and changes arisingon the interface after battery operation. The interface of a bare LiCoO2 layer was furtherstudied after soaking in liquid electrolyte to elucidate the effect of short storage procedures inbatteries.Surface analysis done on LiCoO2 thin films showed changes occurring at the interface layersafter the electrode was in short contact with the electrolyte solution and after galvanostaticcycling. Washing and soaking the electrode material in electrolyte and solvent showed thatsurface reactions start from the first contact. A main component of the electrolyte solution,LiPF6, has critical effect since it can decompose and form HF which reacts with carbonatesand forms LiF on the surface. Given the large amount of LiF, a high reactivity of LiCoO2 withthe decomposed species was observed, as the main components of the film were related to thedecomposed LiPF6 salt.The surface chemistry of the layer formed on LiCoO2 after cycling was mainly based ondecomposed species from the electrolyte salt arising from carbonated and fluorinated species.Artificial surface layers were deposited on LiCoO2 by means of rf sputtering. The thin layersof ZrO2 and LiPON used as coatings had minor effects on the original film morphology andcrystalline structure. An XPS analysis of the interface showed how the nature of each layerafter galvanostatic cycling was different for each case. The resulting artificial surface layerformed from ZrO2 coating showed mainly inorganic species, while the LiPON coatedcathode showed an organic nature. The final surface layers after electrochemical cycling ofthe ZrO2 coated film resembled that of the uncoated LiCoO2. Additionally, LiPON thin films were studied on the basis of structural changes occurringwith nitrogenation and its correlation to a possible mechanism during ion conduction.Composition of phosphate glasses with rf sputtering was proven to be greatly influenced bythe gas ratio employed. The largest variations were observed for lower amounts of N2 in thegas mixture. The IR spectra results showed important differences in the short range order forfilms with a similar amount of lithium. The lithium phosphorus oxynitride films depositedhere presented glassy structures with mainly ortho and pyro-phosphate units with smallamounts of short metaphosphate chains. Nitrogen insertion favors stability of lithium bygiving an environment with lower potential energy, as was evidenced by the far-IR results.

L’allègement des structures pour l’aéronautique pose, entre autres, la problématique del’usinage des matériaux composites et multi-matériaux. Le challenge réside dans la conceptiond’outils répondant aux conditions spécifiques d’usinage de ces matériaux et à leur extrêmeabrasivité. Une solution est de faire appel aux performances du diamant comme revêtementrésistant à l’usure. Dans le cadre de ce manuscrit, nous proposons d’étudier les cinétiques deformation du diamant microcristallin, sur des couches minces de nitrure de tantale (TaN). Cenitrure cristallise sous deux structures distinctes : une phase stable, hexagonale, h-TaN, et unephase métastable, cubique faces centrées, fcc-TaN. Des paramètres d’élaborationméticuleusement optimisés ont rendu possible la synthèse de ces deux structures sous forme decouches minces monophasées et la proposition de mécanismes de stabilisation. Leur potentiel entant que couche de germination du diamant a été évalué et quantifié grâce à une méthodologieoriginale, alliant expériences et modélisation. La contribution de la modélisation a permis nonseulement d’interpréter précisément les résultats obtenus expérimentalement, mais aussid’identifier les grandeurs influentes. Les coefficients de diffusion du carbone et flux de carbonetransférés dans h-TaN et fcc-TaN ont ainsi été déterminés. Les résultats obtenus, en termesd’interactions entre le TaN et le carbone, au cours du procédé d’élaboration du diamant, ouvrentdes perspectives intéressantes en termes de contrôle de la formation du diamant par CVD. / Weight reduction of aeronautic devices raises composite and multi-materialsmachining issues. The challenge lies in designing cutting tools able to resist to the specificmachining conditions of these materials and their abrasivity. One solution is to use diamond as awear resistant coating. In this work, we propose to study the kinetic of formation ofmicrocrystalline diamond onto a tantalum nitride (TaN) thin film. TaN exhibits two crystallographicstructures: the hexagonal stable one, h-TaN, and the metastable one with a face centered cubiclattice, fcc-TaN. An accurate control of deposition conditions allows us to isolate both structuresas single-phased thin films and to propose two stabilization mechanism scenarios. The influenceof each TaN structure on diamond formation has been gauged thanks to the inventivemethodology we developed and which combines experiments and modeling. The contribution ofmodeling relies on an accurate interpretation of the experimental results and the identification ofthe key parameters. Thus, carbon diffusion coefficients and carbon transfers into h-TaN and fcc-TaN phases could be determined. Our results, in terms of TaN/carbon interactions, open up newhorizons for diamond nucleation and growth in CVD conditions.

L’industrie microélectronique en perpétuelle évolution impose de nouvelles spécifications pour les futures générations de microbatteries au lithium. Pour ces dispositifs, il est désormais impératif d’améliorer la capacité volumique des matériaux actifs d’électrode positive ainsi que d’abaisser leur tension de fonction-nement aux alentours de 1,5 V. Ce travail propose d’étudier le comportement de sulfures de métaux de transition de formule MSx (M = Fe, Co, Ni, Ti ; x = 1, 2), réagissant vis-à-vis du lithium selon un mécanisme de conversion, à un potentiel adapté à l’application. Déposés sous forme de couches minces par pulvérisa-tion cathodique radiofréquence à cathode à effet magnétron, ces sulfures ont été caractérisés en termes de composition, morphologie et structure. Dans la plupart des cas, des films cristallisés avec une incorpo-ration minime d’oxygène ont été obtenus sans chauffage intentionnel des substrats. L’utilisation d’une configuration en couches minces et d’un électrolyte solide, propres aux microbatteries, permet une bonne réversibilité des réactions ainsi qu’une prévention des réactions parasites généralement observées pour ces sulfures en électrolyte liquide. Une caractérisation fine des propriétés électrochimiques de ces matériaux en microbatterie tout-solide au lithium a donc pu être réalisée, permettant de corréler la réver-sibilité des cycles d’insertion / extraction du lithium avec la nature du cation de métal de transition mais aussi avec la concentration en soufre dans l’électrode. / The overgoing evolution of the microelectronics industry implies new specifications when it comes to next generations of lithium microbatteries. It is now of utmost importance for these devices to increase the volumetric capacity of the positive electrode material and bring the working potential down to approxi-mately 1.5 V. Hence, this work is aimed at studying the behavior of transition metal sulfides, of formula MSx (M = Fe, Co, Ni ; x = 1, 2), which react towards lithium through conversion reaction mechanism at an adapted potential. Thin films of these materials, prepared via non-reactive radiofrequency magnetron sputtering were structurally, morphologically and compositionally characterized prior to their integration in microbatteries. In most cases, crystallized films were obtained without any intentional heating of the substrates. Also, very low oxygen incorporation within the deposited materials was observed. Thanks to the combined use of thin film and all-solid-state configuration in the microbatteries, good reversibility of the reactions is allowed and parasitic reactions generally observed for transition metal sulfides electrodes in conventionally used liquid electrolytes cells can be avoided. Thus, deep electrochemical characteriza-tions were successfully conducted on the microbatteries. For these materials, it was shown that the re-versibility of the lithium insertion / extraction cycles during operation is directly linked to the nature of the transition metal cation and to the overall sulfur concentration in the electrode material.

Couches minces multiferroiques d’YMnO3 (YMO) films ont été synthétisée par MOCVD sur desubstrats de Si, STO, LAO et LSAT orientées (100). L'effet de l'épaisseur des couches et de lacomposition chimique sur les propriétés structurales et magnétiques a été étudié. YMO peutcristalliser dans deux structure : hexagonale (h-YMO) et orthorhombique (o-YMO), généralementconsidérée comme les phases stables et métastables, respectivement. Les deux phases, ainsi queleur phase précurseur amorphe sont étudiées dans cette thèse. D'un côté, une croissance sélectivede la phase amorphe, h-YMO ou o-YMO est réalisé sur des substrats de Si en ajustant lesconditions de dépôt. Une étude approfondie des conditions optimales a été réalisée. Unetransformation de phase irréversible de l'état amorphe à la phase cristalline o-YMO a lieu à unetempérature à peu près constante (~ 700 ° C) et dans un court période de temps (min ~). La phaseo-YMO ainsi obtenue est stable au moins jusqu'à 900 ° C.De l'autre côté, la phase o-YMO est stabilisé par épitaxie sur des substrats de type perovskite (STO,LAO, LSAT). Les films sur STO et LSAT présentent principalement l’orientation (010) tandis queceux sur les substrats de LAO sont orientées (101). Une orientation secondaire de domaines estobservée en particulier sur des substrats de STO: rotation de 90 ° dans le plan du domaine (010).A des faibles épaisseurs les couches sont contraintes. Les mesures magnétiques montrent uncomportement de verre de spin pour chacune de phase o- ou h-YMO, indépendamment du substrat. / Multiferroic YMnO3 (YMO) films have been grown by MOCVD on (100)-oriented Si, STO, LAOand LSAT substrates. The effect of the film thickness and the chemical composition on structuraland magnetic properties has been investigated. YMO can crystallize in two structure: hexagonal(h-YMO) and orthorhombic (o-YMO), generally considered as stable and metastable phases,respectively. Both phases, together with their amorphous precursor phase, are studied in this thesis.On one side, a selective growth of the amorphous, o-YMO or h-YMO phase is achieved on Sisubstrates through the deposition conditions. An extensive study of the optimal conditions hasbeen carried out. An irreversible phase transformation from amorphous to crystalline o-YMOphase takes place at an almost constant temperature (~ 700 °C) and in a short period of time (~min). The o-YMO phase thus obtained is stable at least up to 900 °C.On the other side, the o-YMO phase is epitaxially stabilized on perovskite type substrates (STO,LAO, LSAT). The films on STO and LSAT substrates present mainly the (010) orientation whilethose on LAO substrate are (101)-oriented. Secondary domain orientation are observe in particularon STO substrates: (010) in plane with 90° rotation. Strained films are observed for smallthicknesses. The magnetic measurements show a spin glass behavior for either o- or h-YMO phase,independently of the substrate.

Les kësterites, ou Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS), sont des matériaux semi-conducteurs composés uniquement d'éléments abondants. Leur gap direct compris entre 1.0 et 1.5 eV en fait d'excellents candidats pour remplacer les absorbeurs actuellement utilisés en couches minces. Ce travail de thèse décrit la fabrication de couches minces de Cu2ZnSnS4 par impression de nanoparticules suivie d'un recuit de cristallisation. Différentes synthèses hydrothermales de nanoparticules ont été développées, dont certaines en réacteur à flot continu, en vue d'un développement à plus grande échelle. L'influence des types de précurseurs et des conditions de synthèse sur la composition chimique des particules est étudiée ainsi que leur pureté est évaluée. Le comportement en dispersion colloïdale est ensuite caractérisé et trois fonctionnalisations de surfaces à base de dodecanthiol, dodecyl pyrrolidone et anions sulfures sont présentées. Ces stabilisations permettent la fabrication d'encre jet d'encre et spray adaptées au dépôt sur molybdène. Les couches imprimées et séchées sont recuites sous atmosphère de soufre. Des recuits d'au moins 120 minutes sont nécessaires. Cependant la croissance des couches est hétérogène lorsque celles-ci sont imprimées avec les nanoparticules stabilisées par le dodecanethiol et le dodecyl pyrrolidone. La présence de carbone dans les couches, identifiable par spectroscopie Raman, inhibe la croissance du matériau. Seules les couches minces imprimées à l'aide de nanoparticules purifiées et stabilisées par anions sulfures permettent la croissance homogène du matériau lors du recuit. / Kësterites or Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS), are semi-conductors only made of abundant elements. Their direct bangap between 1.0 and 1.5 eV makes them excellent candidates for the replacement of the currently used thin film absorbers. This thesis describes the fabrication of thin films of Cu2ZnSnS4 by nanoparticles printing followed by crystallization annealing. Different hydrothermal synthesis of nanoparticles have been developed, some in continuous flow reactor, for a development on a larger scale. The influence of the types of precursors and synthesis conditions on the particals chemical composition purity was evaluated. The behavior of colloidal dispersion is then characterized and three surface functionalization based on dodecanthiol, dodecyl pyrrolidone and sulfide anions are presented. These stabilizations allow the manufacture of inks deposited by inkjet and spray on molybdenum. The printed and dried layers are then annealed in sulfur atmosphere. Annealing of at least 120 minutes are required. However, the growth of the layers is heterogeneous when printed with the nanoparticles stabilized by dodecanethiol and dodecyl pyrrolidone. The presence of high carbon content, prooved by Raman spectroscopy, inhibits the growth of the material. Only thin film printed using purified nanoparticles stabilized by sulfide anions allow homogeneous growth of the material during annealing.

La miniaturisation et l’augmentation de la complexité des circuits intégrés avancés est l’un des axes d’évolution de l’industrie microélectronique. Pour assurer les performances du transistor, une maitrise précise des épaisseurs, de la structure cristalline et de la composition, notamment de la dose d’azote, est indispensable pour chacune des couches des empilements qui constituent les transistors. Or, cette architecture complexe présente de nombreux challenges pour la métrologie. En effet, avec l’alternance de films très minces, les techniques de métrologie usuelles, basées sur des mesures en volume, sont difficiles à mettre en œuvre. Ainsi, une émergence de l’utilisation des techniques à rayons X s’observe, telle que la spectroscopie de photoélectrons à rayons X (XPS) ; méthode adaptée pour l’étude quantitative en épaisseur et en composition chimique sur des films de moins de 10nm. L’objectif principal de cette thèse est d’explorer de nouvelles approches de mise en œuvre de la technique XPS tant dans la méthodologie d’utilisation que dans les structures de tests étudiées. Dans un premier temps, ce travail porte sur l’analyse de la composition et de l’épaisseur de couches minces homogènes de l’empilement de grille des technologies 14nmFDSOI et 28nmFDSOI, composé d’un canal de SiGe et d’un empilement high-k/interfacial layer HfON/SiON. La mesure d’épaisseur par XPS appliquée à l’empilement HKMG HfON/SiON/Si est tout d’abord étudiée afin de valider son utilisation pour un suivi en ligne tout en analysant les effets de diffusion élastique sur cette mesure. Afin de déterminer la composition et l’épaisseur de couches de SiGe sur substrat de silicium, l’étude d’une métrologie hybride entre l’XPS avec la technique de réflectivité des rayons X (XRR) est menée pour en déterminer la faisabilité et la sensibilité. Dans un second temps, ce travail s’intéresse à l’étude d’empilements présentant des compositions hétérogènes avec la profondeur grâce au pARXPS (parallel Angle Resolved XPS), utilisé afin d’obtenir des reconstructions de profils chimiques. Après avoir validé la technique sur des couches HfON, SiON et SiGe, celle-ci est appliquée à des empilements industriels. La prise en compte des profils présents dans le réel empilement de grille a permis d’étudier l’effet de l’oxydation du SiGe sur le profil du germanium ainsi que d’améliorer la justesse et la sensibilité de la mesure des espèces et des épaisseurs des couches HfON et SiON sur un XPS en ligne. Enfin, l’exploration d’utilisations moins conventionnelles de l’XPS (e.g. structures 3D, étude de cristallinité) ouvre de nouvelles perspectives pour la caractérisation des couches minces. / The downscaling and the increasing complexity of integrated circuits is one of the microelectronics industry development axes. To insure the transistor performances, a precise mastering of thickness, crystalline structure and composition, notably the nitrogen dose, is mandatory for each stack layer. Yet, this complex architecture arises new challenges for metrology. Indeed, with the alternation of very thin films, conventional metrology techniques, based on volume measurements, are difficult to implement. This is why, an increasing use of X-rays techniques can be noticed, such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS); a well-established method for the quantitative thickness and chemical composition study of ultrathin films (<10nm). Thus, the major aim of this thesis is to explore new ways to implement XPS technique, in both the usage methodology and the test structures studied. First, this work focuses on a composition and thickness analysis of homogeneous thin films of the 14nmFDSOI and 28nmFDSOI technologies gate stack composed of an SiGe channel and a High-k/interfacial layer (HK/IL) HfON/SiON stack. The XPS thickness measurement applied to the HK/IL is firstly studied for purposes of validating its application for in-line monitoring, as well as analyzing the inelastic diffusion effects on this measurement. In order to determine the composition and thickness of SiGe layers on silicon substrate, the study of an hybrid metrology, between XPS and the X-ray reflectivity (XRR) technique, is carried out to determine the feasibility and the sensibility of this method. Secondly, this work focuses on the study of heterogeneous stack along the depth thanks to pARXPS (parallel Angle Resolved XPS), used to obtain chemical profile reconstructions. After a validation step of this technique on HfON, SiON and SiGe layers, it is used on industrial stacks. Taking into account the profiles into the real industrial gate stack allows us to study the SiGe oxidation effects on the germanium profile and to improve the accuracy and the sensibility of the composition and the thickness measurements of HfON and SiON layers with the industrial in-line XPS. Finally, the exploration of less conventional ways to use XPS (e.g. 3D structures, crystallinity study…) opens new perspectives for the characterization of thin films.