Cette thèse concerne l'étude et la visualisation par imagerie magnéto-optique Kerr à la température ambiante du mode de retournement de l'aimantation au sein de couches minces ferromagnétiques de manganites de composition La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO). Au cours du travail de thèse, un banc d'imagerie a été réalisé et une méthode d'imagerie vectorielle de l'aimantation a été proposée. Ce système d'imagerie a été utilisé pour étudier d'une part l'influence du substrat et des contraintes qu'il induit dans la couche mince et d'autre part l'influence de la forme des échantillons, sur le piégeage et le mode de retournement des domaines magnétiques présents dans la couche mince. Dans le cas du substrat LSAT ((LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7), la compression induite dans la couche mince fait apparaître une composante d'aimantation hors du plan et un plan de facile aimantation sans direction privilégiée dans ce plan. Le retournement des domaines planaires est alors de type cohérent. Dans le cas du substrat STO (SrTiO3), d'orientation (001), l'anisotropie magnétique est biaxiale et le retournement d'aimantation s'opère par nucléation puis propagation de domaines. Dans le cas de substrats vicinaux de STO, l'anisotropie magnétique devient uniaxiale et l'axe de facile aimantation est parallèle aux marches en surface de la couche. Le retournement de domaines se produit par nucléation et propagation dans le cas où le champ magnétique est appliqué parallèlement aux marches du substrat vicinal. Quand le champ magnétique est appliqué perpendiculairement aux marches du substrat vicinal, on assiste à un retournement cohérent des domaines magnétiques. Ces travaux constituent une première étape dans la compréhension et la maîtrise du comportement magnétique de dispositifs spintroniques.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude, par simulations numériques, du phénomène d'anisotropie d'échange présent, notamment, dans les éléments sensibles des MRAMs. La première partie de ce mémoire porte sur l'influence de la rugosité d'interface, combinée à l'effet de la température, sur les propriétés d'anisotropie d'échange, par le biais d'une approche atomique. L'étude a permis de confirmer la forte influence de la configuration interfaciale. Il a notamment été observé que l'interface présentant la plus forte rugosité, donnait lieu à des valeurs plus importantes du champ d'échange. De plus, l'existence de sites FM à fort champ local agissant comme des sites de nucléation lors du retournement d'aimantation a été observée. Nos résultats montrent également que la frustration magnétique, combinée à l'agitation thermique, pouvait induire une annulation du champ d'échange dans le cas d'une interface suffisamment rugueuse, confirmant ainsi que la frustration magnétique à l'interface FM/AFM peut conduire, lorsque la température augmente, à des régions magnétiquement désordonnées qui ne contribuent pas au champ d'échange. La seconde partie de ce mémoire est consacrée à l'effet de la température et de la microstructure sur les propriétés d'anisotropie d'échange, ainsi qu'aux distributions de température de blocage via une approche granulaire. Il en ressort que la température à laquelle l'annulation du champ d'échange est observée, communément définie comme une température de blocage des grains AFM (T AF MB ), correspond, d'après nos simulations, à environ 80% de T AF M B calculée. L'influence de zones "verre de spin", ayant pour origine un affaiblissement du couplage effectif dû à la présence de rugosité, sur la distribution de T AF M B a également été étudiée. L'introduction d'une "certaine quantité" de grains présentant un état "verre de spin" dans la couche AFM, induit bien un pic à basse température comme observé expérimentalement.

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude à la fois théorique et expérimentale de la dynamique de l'aimantation assistée par un champ électrique dans un dispositif à base de (Ga,Mn)As. Une couche de (Ga,Mn)As, dont l'anisotropie magnétique est complexe, est un matériau de choix pour la manipulation de l'aimantation par un champ électrique.J'ai présenté une stratégie de retournement précessionnel de l'aimantation qui tire partie de la réduction transitoire de l'anisotropie cubique provoquée par une courte impulsion de champ électrique. A l'aide d'un modèle macrospin, j'ai démontré notamment qu'une impulsion de champ électrique de quelques ns de durée est suffisante pour basculer l'aimantation entre deux positions d'équilibres.L'aspect expérimental est basé sur l'utilisation d'une jonction p-n tout semi-conducteur dont la région dopée p est formée par une couche mince de (Ga,Mn)As. La déplétion des porteurs de charge dans le canal semi-conducteur provoquée par l'application d'un train d'impulsions de tension de courte durée induit une forte diminution du champ d'anisotropie cubique. L'étude expérimentale du renversement de l'aimantation en champ magnétique a conduit à la mise en évidence d'un retournement de l'aimantation via la nucléation et la propagation de parois et d'une distribution large des champs de piégeage. L'inhomogénéité magnétique au sein de la couche de (Ga,Mn)As a empêché l'observation d'une résonance ferromagnétique induite par un champ électrique. Néanmoins, des mesures de retournement avec une ou plusieurs impulsions de tension de grille ont permis de proposer un processus de renversement de l'aimantation induit par un champ électrique.

Les transformateurs de courant débitent généralement dans une charge de faible impédance. Si cette condition n'est pas remplie, l'induction dans le tore et le courant magnétisant ne sont plus négligeables. Ce mémoire traite ce cas de figure avec en plus des courants éventuellement non sinusordaux et avec une composante contin!le. Un modèle analytique s'étoffe au fur et à mesure afin de tenir compte de ces spécificités. - D'abord nous analysons le comportement de la chaîne de mesure avec des courants sinusoidaux, nous développons un modèle analytique non linéaire de l'impédance magnétisante et évaluons l'importance des flux de fuite. Ensuite nous étendons ce modèle d'impédance magnétisante aux types de courants cités. Notre modèle, analytique, est alors robuste en fréquence. Enfin nous enrichissons notre modèle en tenant compte de la non-linéarité des matériaux. n est alors valable quelque soient les conditions de fonctionnement Une étude sur la caractérisation des matériaux magnétiques soumis à une excitation dissymétrique clôt ce mémoire.

Les multicouches Fe/Dy présentent des propriétés magnétiques particulières en fonction de la nature des interfaces (rugosité et interdiffusion aux interfaces). Ainsi, l'apparition d'une anisotropie magnétique perpendiculaire au plan des couches apparaît fortement corrélée à la formation d'un alliage amorphe Fe-Dy à l'interface. L'objectif de ce travail est d'étudier les propriétés magnétiques de multicouches amorphes Fe/Dy par simulations Monte Carlo pour différents types d'interfaces. Nous avons considéré un modèle d'anisotropie magnétique basé sur des résultats expérimentaux qui comprend une faible proportion de sites caractérisés par une direction d'anisotropie magnétique en moyenne uniaxiale, les autres sites ayant une direction d'anisotropie aléatoire. Nous avons mis en évidence l'existence d'un profil d'aimantation inhomogène suivant l'épaisseur de la multicouche fortement dépendant du profil de concentration. La dispersion des moments magnétiques de Dy est plus faible dans le cas d'un profil diffus, contrairement à celle des moments magnétiques de Fe. La simulation de cycles d'hystérésis nous a permis d'obtenir un bon accord qualitatif avec les résultats expérimentaux. En particulier, notre modèle d'anisotropie permet de mettre en évidence l'ouverture des cycles pour un champ appliqué dans le plan des couches en raison de l'influence de l'anisotropie aléatoire. orsque le champ appliqué est perpendiculaire au plan des couches, les cycles d'hystérésis obtenus dans le cas du profil diffus sont caractéristiques d'une anisotropie perpendiculaire.

Les oxydes forment une classe de matériaux qui couvrent un vaste spectre de fonctionnalités: diélectricité, semiconductivité, métallicité, supraconductivité, optique non linéaire, acoustique, piézoélectricité, ferroélectricité, ferromagnétisme... Dans cette thèse nous avons réalisé l'intégration d'oxydes sous forme de couches minces cristallines sur silicium, en utilisant l'épitaxie par jets moléculaires (EJM). Le premier objectif de la croissance d'oxydes cristallins sur silicium est de réaliser des isolateurs de grille à forte constante diélectrique pour les technologies CMOS avancées " sub-22nm ". L'utilisation de l'oxyde de gadolinium (Gd2O3) a été explorée en détail comme un candidat très prometteur pour remplacer l'oxyde de grille traditionnelle qu'est la silice (SiO2). La croissance épitaxiale de Gd2O3 sur le substrat Si (111) a été réalisée en identifiant les conditions de croissance optimale pour obtenir de bonnes propriétés diélectriques avec notamment l'obtention d'une valeur d'EOT de 0,73nm et des courants de fuite compatibles avec les spécifications de l'ITRS pour les nœuds " sub-22nm ". En outre, les propriétés diélectriques de Gd2O3 ont pu être améliorées en effectuant des recuits post-dépôts. L'autre intérêt d'avoir un empilement d'oxydes cristallins sur silicium repose sur leurs applications potentielles dans les technologies " Plus que Moore " ainsi que pour l' " Intégrations hétérogènes". Le système SrTiO3/Si (001) a été étudié comme un système modèle de l'intégration des oxydes sur semi-conducteur. La cristallinité, la qualité de l'interface oxyde-semiconducteur, l'état de surface et le processus de relaxation de STO déposé sur silicium ont été examinés et analysés, permettant de déterminer des conditions de croissance optimales. Plusieurs processus de croissance ont été réalisés et comparées. Finalement, une couche mince de STO de même qualité qu'un substrat massif a pu être obtenue sur silicium avec une bonne cristallinité et une surface atomiquement lisse. A partir des empilements de Gd2O3/Si et SrTiO3/Si, il a été possible d'intégrer sur silicium des oxydes possédant des fonctionnalités variées comme la ferro-(piézo-)électricité (BaTiO3, PZT et PMN-PT), le ferromagnétisme (LSMO) et l'optoélectronique (Ge). Ces couches minces fonctionnelles sur Si peuvent être alors largement utilisées pour des applications de stockage mémoire, les lasers et les cellules solaires, etc.

Les systèmes de récupération d'énergie sont prometteurs pour l'auto-alimentation des dispositifs intégrés. Les matériaux pyroélectriques couplant un changement de température à un changement de polarisation électrique peuvent être utilisés pour la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique sans nécessité de maintien de gradients thermiques qui constitue un inconvénient majeur dans les modules thermoélectriques compacts. Dans cette thèse, le PbZro.52Tio.48O3 (PZT) et le BaxSr1-xTiUO3 (x = l et x = 0.7) à fort coefficients pyroélectriques, sont choisis, élaborés en couches minces épitaxiées, caractérisés pour étudier leur potentiel de récupération d'énergie thermique. Ce travail comporte deux aspects : le premier consiste au développement et l'optimisation des conditions de croissance des hétérostructures intégrées et épitaxiées sur silicium. Le deuxième est focalisé sur l'étude des propriétés fonctionnelles (ferroélectriques, diélectriques et pyroélectriques) et à l' estimation du pouvoir de récupération d'énergie principalement des couches de PZT. Une corrélation entre ces deux aspects est ainsi présente. Un changement de la structure cristalline est montré sur les empilements intégrés sur Si, en comparaison avec des structures équivalentes réalisées sur substrat de STO. L'impact de ceci a été directement constaté sur les propriétés fonctionnelles des couches hétéroépitaxiées de PZT. Ainsi une anisotropie importante de ces propriétés a pu être mise en évidence, en complétant cette étude par des mesures dans le plan a l'aide de peignes interdigités. Ces observations ont été cohérentes avec les mesures de la diffraction des rayons X en fonction de la température. Par ailleurs, les différentes méthodes et configurations de mesures du coefficient pyroélectrique sur PZT ont permis une meilleure compréhension du phénomène et la distinction des diverses contributions existantes. La mesure statique indirecte issue de la variation de la polarisation rémanente en fonction de la température renseigne sur l'effet pyroélectrique intrinsèque (et secondaire). Cependant les mesures dynamiques du courant pyroélectrique pendant un changement de la température contiennent toutes les contributions pyroélectriques et non pyroélectriques, comme les effets extrinsèques et le courant de relaxation. Des mesures pyroélectriques dynamiques sous champ électrique, se rapprochant des conditions de cycles de récupération d'énergie thermique, ont permis de montrer que des courants de conduction apparaissaient même pour des bonnes couches de PZT diélectriques épaisses. Ces courants masquent les courants pyroélectriques et rendent l'application de générateur électrique par cycles thermodynamiques sous champ électrique rédhibitoire. Des composants passifs n'utilisant pas ou peu de champs électriques tels que des capteurs devront plutôt être envisagées. / Due to the wasted heat in ever more compact microelectronic devices, the harvesting of thermal energy has become interesting for self-powering small devices. Consequently, pyroelectric materials witch couple a change in temperature to a change in electrical polarization may be used for the conversion of the thermal energy to an electric energy without necessity of maintaining thermal gradients that is a main drawback in compact devices with thermoelectric materials. In this thesis, PbZro.52Tio.48O3 (PZT) and BaxSr1-xTiUO3 (x = l and x = 0.7), with high pyroelectric coefficients are chosen, elaborated in thin epitaxial layers, characterized structurally and electrically to study their potential for thermal energy harvesting. This work has two aspects: the first consists in the development and optimization of the growth conditions of epitaxial heterostructures integrated on Si. The second one focuses on the study of the functional properties ( ferroelectric, dielectric and pyroelectric) and the estimation of the energy harvesting efficiency mainly of PZT layers. A correlation between these two aspects is then done. A change in the crystal structure is shown on the Si-integrated stacks in comparison with equivalent structures grown on STO substrate. This structural behavior impacts directly the functional properties of the heteroepitaxial layers of PZT. Th us, an important anisotropy of these properties was demonstrated and completed by a study of the in plane properties using measurements by interdigital capacitors. These observations were consistent with measurements of X - ray diffraction as a function of temperature. Otherwise, different methods and configurations of pyroelectric coefficient measurements on PZT have allowed a better understanding of the phenomenon and the distinction of the various existing contributions. The indirect static measurement resulting from the variation of the remnant polarization as a function of the temperature gives the intrinsic (and secondary) pyroelectric contributions. However, the dynamic measurements of the pyroelectric current during a change of the temperature contain all the pyroelectric and non-pyroelectric contributions, such as the extrinsic effects and the relaxation current . Dynamic pyroelectric measurements under an electric field are near to the conditions of thermal energy harvesting cycles. Conduction currents appeared, even for good layers of thick dielectric PZT, and mask the pyroelectric currents. This makes the application of electric generator by thermodynamic cycles under electric field prohibitive. Passive components using low or no electrical field such as sensors should be considered.