Le présent travail porte sur l'élaboration de couches minces du matériau binaire SnS avec des propriétés physico-chimiques répondant le mieux possible aux exigences d'une bonne alternative au composé ternaire CuInS2, dans les cellules solaires. Nous avons utilisé la technique de dépôt chimique en solution (ou Chemical Bath Deposition CBD) qui est une technique peu coûteuse, non toxique et facile à manipuler. Les couches fabriquées sont testées sur le plan cristallographique, chimique, morphologique et optique à différentes échelles, en utilisant les techniques de diffraction des rayons X, de profilométrie, de microscopie électronique à balayage associée à la dispersion en énergie des photons X, de microscopie à force atomique ou électrostatique, et de mesures par spectrophotométrie. Des recuits à différentes températures et des dopages à différentes concentrations sont effectués. Un calcul de l'épaisseur des films minces de SnS, basé sur la méthode des enveloppes des franges d'interférences dans les spectres de transmission optique calculés et expérimentaux, a été effectué à l'aide d'une modélisation utilisant les théories de Manifacier et de Heavens. / The present work deals with the fabrication of SnS thin films as a potential substitute to CuInS2 absorber material in thin film solar cells. The Chemical Bath Deposition method (CBD) is applied to this binary material, as it is non toxic and relatively inexpensive. Structural, chemical, morphological and optical properties of the fabricated layers are investigated by X-Ray diffraction, profilometry, scanning electron microscopy associated with energy dispersive spectrometry, atomic force microscopy, and visible to infrared spectrophotometry. Annealing and doping of the SnS thin layer is also investigated. Theoretical modelling of the thin film thickness is obtained from optical transmission and reflexion spectra based on the envelope of interference fringes.

Les supercondensateurs, basés sur des cycles rapides de charge/décharge d’ions, sont une solution intéressante pour répondre à la problématique du stockage d’énergie. Les nanomatériaux carbonés, couplés ou non à des matériaux actifs, présentent des potentialités en tant qu’électrode comparativement au carbone activé couramment utilisé. Dans le cadre d’un laboratoire commun, le CEA, Nawatechnologies et les universités de Tours et Cergy, cherchent à développer des électrodes plus efficaces mettant en œuvre des tapis de nanotubes de carbone verticalement alignés (VACNT) sur collecteur d’aluminium. C’est dans ce contexte que se situe ma thèse CIFRE avec comme objectif le développement et la compréhension de la croissance de nanotubes alignés sur feuille d’aluminium par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapor Deposition (CVD)) assistée par aérosol. Au démarrage de ma thèse, cette technique était maîtrisée par le LEDNA (UMR-NIMBE), mais seulement pour des températures relativement élevées (>800°C). L’enjeu était donc d’étendre cette méthode pour répondre à l’utilisation de l’aluminium comme substrat, ce qui nécessité un abaissement de la température de croissance des VACNT au-dessous du point de fusion de l’Al (660°C). Dans ce cas, les précurseurs catalytiques et carbonés utilisés à plus haute température ne se décompose pas efficacement, c’est pourquoi il a été nécessaire d’ajouter deux composés : l’hydrogène qui favorise la décomposition du précurseur catalytique et l’acétylène dont la décomposition thermique et catalytique est plus favorable à basse température. La thèse est structurée autour de trois axes : l’optimisation du procédé de synthèse, la compréhension des mécanismes de croissances et une étude visant à remplacer l’acétylène par des précurseurs biosourcés. / Supercapacitors, with fast charge / discharge cycles, represent an interest for energy storage. Carbon nanomaterial have a great potential as electrode as compared to common activated carbon based electrodes. CEA, Nawatechnologies, university Tours and Cergy develop electrodes based on vertically aligned carbon nanotubes (VACNT) on aluminium substrate in a joint laboratory. In this context, the aim of my thesis is to develop and understand the growth of VACNT on aluminum foil by aerosol assisted Chemical Vapor Deposition (CVD). At the beginning of my thesis, this technique was mastered by the LEDNA (UMR-NIMBE), but only for relatively high temperatures (>800°C). The challenge was therefore to extend this method to respond to the use of aluminium as a substrate, which necessitated a lowering of the growth temperature of VACNT below the melting point of Al (660°C). In this case, the catalytic and carbonaceous precursors used at higher temperatures do not decompose effectively, so it was necessary to add two compounds : hydrogen which increases decomposition of the catalyst precursor [3] and acetylene with a catalytic and thermal decomposition more favorable around 600° C [5]. Therefore, the approach in this work is first to identify the most relevant synthesis parameters to reach VACNT growth at such a low temperature by varying them and analyzing subsequently the products obtained. Moreover, attention is paid on study of Al surface before growth or during the initial steps of VACNT growth, and of CNT / Al interface to understand VACNT formation mechanisms at lower temperatures.

Ces dernières années, les exigences de l'industrie dans le développement de nouveaux matériaux fonctionnels en mesure de résister aux conditions difficiles pendant l'opération d'usinage sont en constante augmentation. Les chercheurs doivent donc trouver de nouvelles solutions pour répondre aux besoins industriels de plus en plus sévères. L’utilisation de revêtement protecteur à la surface de l’outil de coupe est une solution très efficace. Des nouveaux matériaux architecturés sont étudiés pour leurs propriétés mécaniques, physiques et chimiques uniques assurant une résistance aux dégradations de surface dues à la corrosion, l'usure, le frottement; en particulier lorsque ces outils sont utilisés dans des environnements hostiles. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, l'influence de la température sur la stabilité structurale de deux types de films minces déposés par PVD a été étudiée. Des films céramiques et de verre métallique ont été envisagés. Afin de préparer et optimiser ces films, le projet s’est axé sur l'étude de l'influence des conditions de dépôt sur les caractéristiques de croissance du film: composition chimique, structure, morphologie, puis sur les changements ultérieurs des principales propriétés des films minces, à savoir la résistance à l’oxydation et à la cristallisation lors de leur utilisation à hautes températures. Une démarche multi-échelle a été développée pour caractériser au mieux les couches. La première partie du travail est liée aux revêtements céramiques à base de CrN pour donner de nouvelles fonctionnalités et améliorer la surface des outils de coupe dans le but essentiel d'accroître leur durée de vie. La seconde partie du manuscrit est dédiée aux films minces de verres métalliques de Zr-Cu préparés par un procédé de co-pulvérisation magnétron PVD. Le but de cette partie consiste en l’étude de la relation entre la structure amorphe de ces films et leurs propriétés mécaniques. La conservation du caractère amorphe de ces films en température présente également un caractère essentiel. Les verres métalliques ont récemment attiré un fort intérêt car ils présentent des propriétés mécaniques intéressantes à température ambiante. Ils présentent, de ce fait, un grand potentiel pour des applications d'ingénierie en raison de leurs caractéristiques mécaniques et physico-chimiques uniques (haute limite élastique, résistance à la corrosion ...). Pour relier les propriétés mécaniques des couches à l’évolution de leurs microstructures, une partie importante de ce travail a porté sur l’observation de l’évolution de la couche au cours du chauffage au moyen de techniques de caractérisation in situ. Les films minces proposés au cours de ce travail peuvent être envisagées pour un large gamme d’application dans l’ingénierie de surface pour protéger les surfaces et améliorer la durée de vie des matériaux. / In the recent years the industrial requirements to develop new functional materials able to overcome the severe conditions during machining operation are continuously increasing. Researchers then must find novel solutions to respond to their severe industrial requirements. To coat the tool surface with advanced coatings is the most efficient solution. New nanostructured materials may nowadays exhibit unique mechanical, physical and chemical properties ensuring notable degradation resistance where the surface protection of materials against corrosion, wear, friction or oxidation is a key issue, particularly when operating in hostile environments. Within the scope of this Ph.D. thesis the influence of the temperature on the structural stability of two different PVD ceramic and metallic glass thin films is proposed. The main goal consists in the development of two distinct classes of thin films, with a wide range of properties. In order to prepare these films, the project will be focused on the study on the influence of PVD deposition conditions in the particular film’s growth characteristics: chemical composition, structure, morphology and the subsequent changes in the main properties of the thin films, namely oxidation and crystallization resistance, especially. For that purpose we adopted the multiscale approach. The first part is related to the ceramic CrN-based coatings to give new functionalities and improve the tools’ surface with the primary aim to increase their lifetime. Secondly, new protective materials able to better protect the exposed surfaces against high temperature oxidation have been proposed, namely CrAlN and CrAlYN coatings as will be evidenced in this manuscript. The second part of the manuscript is dedicated to the innovative Zr-Cu thin films metallic glasses prepared by a PVD magnetron co-sputtering method with the objective to investigate the amorphization ability and their structural properties. Their excellent properties at room temperature have recently attracted attention as a new class of materials with great potential for engineering applications due to unique mechanical and physico-chemical characteristics (high elastic strain limit, corrosion resistance…). Finally, an important approach during the course of this thesis was the real time observation of the structure and surface modifications during heating by means of in situ methods. The thin films proposed during the course of the work could be straightforward used as surface engineering solutions to protect and extend the lifetime of the materials and components.

Un milieu granulaire peut rester au repos même avec une surface libre inclinée, et il ne se met spontanément en mouvement qu'au dessus d'un angle critique. Il apparaît alors un écoulement de surface dont l'amplitude et la dynamique sont régies par la mobilisation et le dépôt de grains à l'interface avec la phase statique. Malgré son importance pratique, la dynamique de cette transition demeure largement inconnue. Le manuscrit présente une étude expérimentale de ce problème dans deux géométries d'écoulements granulaires différentes. Dans la première expérience, l'équilibre d'une couche de sable déposée dynamiquement sur un plan rugueux est rendu métastable: après avoir augmenté l'inclinaison du plan, une perturbation locale déclenche une avalanche. La mesure du seuil de déclenchement montre que la transition entre équilibre statique et écoulement est sous-critique. La forme et la dynamique des avalanches résultent d'un échange permanent de matière avec la couche statique, mobilisant à l'avant et déposant des grains à l'arrière. De manière surprenante, une saturation de l'amplitude est observée, qui peut être attribuée à la présence du fond solide. Nous avons aussi mis en évidence l'existence de deux types d'avalanches, l'un où la couche n'est mobilisée qu'en aval du point de déclenchement et laissant une trace triangulaire, et l'autre où l'écoulement envahit tout le plan par un front de remontée. L'étude montre que des mécanismes de propagation différents interviennent dans ces deux cas. La deuxième expérience consiste à étudier l'écoulement transitoire à la formation d'un talus. Nous avons observé l'influence prépondérante de la préparation sur l'écoulement. Deux effets sont mis en évidence, l'un associé à la densité et l'autre à la «texture» anisotrope acquise pendant le remplissage. Dans la dernière partie, nous discutons de la validité des modèles existants pour décrire les avalanches sur le plan incliné. En guise de conclusion, nous développons un modèle continu décrivant la dynamique des écoulements granulaires de surface et prenant appui sur les résultats expérimentaux présentés.

Cette thèse s’est focalisée sur le développement et l’optimisation de techniques de métallisation électrochimique permettant le dépôt de métaux conducteurs, l’argent et le cuivre, par voie électrolytique ou par la technique dite LIP (Light-Induced Plating). Deux approches ont été abordées pour l’élaboration des contacts en face avant : l’épaississement de contacts sérigraphiés d’une part, et la réalisation de contacts entièrement par voie électrochimique sans recours à la sérigraphie. Pour cette dernière solution, le dépôt d’une couche d’accroche avant l’étape d’épaississement est nécessaire afin d’assurer une résistivité de contact faible, une bonne adhérence et une bonne sélectivité au travers de la couche anti-reflet. Ces objectifs ont été atteints grâce à la mise en œuvre et l’optimisation de dépôts electroless de nickel-phosphore (NiP), y compris sur émetteur peu dopé. Les investigations menées ont également permis une meilleure compréhension des mécanismes de formation du contact NiP/Si. La faisabilité des techniques de dépôt électrochimique a été démontrée pour diverses applications: cellules avec contacts électrochimiques NiP/Ag en face avant, cellules de type n, épaississement de contacts fins sérigraphiés… Des résultats très prometteurs d’amélioration de facteur de forme FF et de rendement η ont été obtenus et permettent d’envisager une ouverture potentielle vers de nouvelles structures de cellules photovoltaïques à haut rendement : cellules à émetteur peu dopé, cellules à émetteur sélectif avec ouverture laser de la couche anti-reflet, cellules à contacts arrières…. / This thesis is focused on the development and the optimization of electrochemical metallization techniques allowing the deposition of conductive metals, silver and the copper, by electrolytic deposition or by lip (light-induced plating). Two approaches were studied to realize the front side contacts of silicon solar cells: the thickening of screen-printed contacts and the fabrication of contacts completely by electrochemical deposition without screen-printing. For this solution, the deposition of a seed layer before thickening is necessary to insure a low contact resistivity, a satisfying adhesion and selectivity through the anti-reflection coating. These objectives were reached thanks to the optimization of electroless nickel-phosphorous (nip) deposits, including on low doped emitter. The investigations also allowed a better understanding of the NiP/Si contact formation mechanisms. The feasibility of electrochemical deposition techniques was demonstrated for various applications : cells with electrochemical front side contacts NiP/Ag, type n cells, thickening of fine line screen-printed contacts… very promising results of fill factor ff and efficiency improvement were obtained and allow to realize new structures of high efficiency photovoltaic cells : cells with low doped emitter, cells with selective emitter and with laser ablated anti-reflection coating, rear contact cells…