Ce travail de thèse s'intéresse à deux types de matériaux composites en couches minces, dont les constituants sont des nanostructures de forme donnée faites de métal noble ; ils présentent des résonances de plasmon multipolaires. Leurs propriétés optiques dans le spectre visible-proche IR sont étudiées par deux techniques, le calcul par la méthode des éléments finis et l'ellipsométrie généralisée. Le premier type de matériau est le réseau de résonateurs en " U " faits d'or. Les mesures de matrices de Mueller par ellipsométrie permettent de mettre en évidence deux propriétés optiques particulières de ce type d'échantillon : d'une part le couplage magnéto-électrique et d'autre part la dispersion spatiale ; ces deux effets compliquent la description des propriétés optiques d'un matériau. Nous montrons dans un deuxième temps que ce type d'échantillon peut être décrit par un modèle effectif défini par des tenseurs constitutifs de permittivité, perméabilité et chiralité, malgré la dispersion spatiale. L'effet des résonances de plasmon multipolaires est exprimé par des oscillateurs de Lorentz. L'ajustement des paramètres d'un modèle effectif permet de définir complètement les propriétés optiques effectives d'un réseau de résonateurs en " U ". Le second type de matériau est un réseau désordonné de résonateurs hélicoïdaux faits d'argent. L'intérêt principal réside dans l'aspect industrialisable du process de réalisation ; l'inconvénient vient du caractère non-idéal des nanohélices. Nous montrons que ce type d'échantillon présente une dispersion spatiale très forte, mais que les résonances propres observés grâce au calcul par éléments finis sont utilisables pour les métamatériaux.

Ces travaux de thèse avaient pour but de proposer et d'étudier des hétérostructures multicouches originales, associant un matériau ferroélectrique et un diélectrique à faibles pertes, en vue de les intégrer dans des dispositifs hyperfréquences. Ces dispositifs électroniques nécessitent des matériaux avec une agilité élevée en tension accompagnée de pertes diélectriques faibles. L'étude s'est focalisée sur le matériau ferroélectrique KTa1-xNbxO3 (KTN) qui a récemment montré de fortes potentialités dans des dispositifs agiles et le matériau diélectrique relaxeur Bi1,5-xZn0,9-yNb1,5O7-d (BZN). Ces deux matériaux ont tout d'abord été étudiés séparément (caractérisations structurales, microstructurales et physiques). Les propriétés diélectriques ont été mesurées à basses fréquences (100 kHz) et à hautes fréquences (1 à 67 GHz) sur des films de KTN non-dopés et dopés par MgO. Une étude poussée du matériau BZN a montré une forte dépendance des propriétés optiques et diélectriques avec la microstructure des films. Finalement, l'association des deux matériaux, proposée pour la première fois, a été développée par deux méthodes de dépôt (PLD et CSD). Les mesures diélectriques des multicouches BZN/KTN/substrat ont montré une forte réduction des pertes diélectriques de 76% à basses fréquences et de 21% à hautes fréquences. Ces multicouches présentent une accordabilité d'environ 3% sous 22 kV/cm, supérieure à ce qui a pu être mesuré sur des couches minces ou multicouches à base d'autres matériaux ferroélectriques à champ électrique équivalent.

Ce mémoire présente une étude de la préparation de couches minces du SmFeO3 (SFO) et du LaNiO3 (LNO) par ablation laser. <br />L'étude s'est d'abord focalisée sur la croissance du SFO sur silice amorphe afin de déterminer les conditions de croissance. Les épaisseurs sont mesurées in situ pendant la croissance par ellipsométrie spectroscopique. La variation thermique des indices optiques ainsi que les paramètres de maille présentent deux transitions qui semblent être corrélées aux températures de Curie (Tc) et de réorientation de spin (TRS). Une croissance épitaxiale du SFO (cube sur cube) sur STO (001) a été aussi obtenue. Les mesures magnétiques à l'ambiante (SQUID) montrent que les moments magnétiques pointent dans la direction perpendiculaire au film, c'est à dire suivant c, axe de facile aimantation à haute température (T> TRS) contrairement aux prévisions (axe a).<br />Une optimisation des températures de substrat et de pression d'oxygène a été ensuite réalisée lors de la croissance épitaxiale (cube sur cube) du LNO sur STO (001). La variation thermique des indices optiques, linéaire, présente un changement de pente dans la gamme [200-300°C]. L'ellipsométrie permet également la détection des transitions métal-isolant associées à la réduction et ré-oxygénation des films. La cinétique de la ré-oxygénation est détaillée ainsi que le contrôle de l'état d'oxydation.<br />Enfin, nous avons étudié les hétérostructures SFO/LNO/STO et SFOII/LNOII/SFOI/LNOI /STO. Nous avons montré que SFO croit de manière épitaxiale (cube sur cube) sur LNO. L'influence des épaisseurs de SFO et de LNOII sur les propriétés de transport à basse température des empilements est finalement démontrée.

Le but de ce travail de thèse est d'étudier les propriétés d'un plasma réactif ainsi que les caractéristiques structurales, optiques et électriques de couches minces d'oxynitrure de tantale (TaOxNy) élaborées par pulvérisation cathodique radiofréquence. L'élaboration de ce matériau ternaire par pulvérisation d'une cible de tantale au moyen d'un plasma contenant à la fois de l'argon, de l'oxygène et de l'azote est complexe en raison de phénomènes d'empoisonnement de la cible. L'analyse de la composition du plasma par spectroscopie d'émission optique et le suivi de l'évolution de certaines raies représentatives d'espèces excitées dans le milieu, nous ont permis de déterminer les conditions optimales au dépôt de films de types TaOxNy sur une large gamme de compositions. Grâce à une étude par diffraction des rayons X et spectroscopie de photoélectrons X, nous avons suivi les évolutions structurales de couches ayant subi ou non un recuit thermique. Nous avons montré de quoi étaient constituées les parties amorphes et cristallisées de ces films et déterminé la taille des domaines de cohérence. Enfin, les propriétés optiques (indice de réfraction, gap optique, paramètre d'Urbach) et diélectriques ont été corrélées à la structure des matériaux.

Les phases MAX sont des carbures et nitrures ternaires dont les propriétés remarquables sont intermédiaires entre celles des métaux et des céramiques. Elles présentent une grande variété de composition sous la même structure cristalline. Ce travail de thèse a pour objectif de mesurer leur constante diélectrique complexe ["(!)] en fonction de la composition. La variation de celle-ci en fonction de l'orientation cristallographique est 'également étudiée. Les échantillons utilisées sont des monocristaux élaborés en couches minces et des polycristaux massifs. Les mesures ont été effectuées par spectroscopie de pertes d'énergie des électrons (EELS) et par l'ellipsom'etrie V-UV. L'ellipsom'etrie possède une très bonne résolution en 'énergie et angulaire toutefois fenêtre en énergie accessible expérimentalement est réduite (1.5 'a 5.5 eV). L'EELS, permet de couvrir une gamme d'énergie allant du proche IR aux X mous ( 1 'a 100 eV). Les résultats issus de ces deux méthodes de mesure sont tr'es comparables. L'utilisation d'un monochromateur avant 'echantillon s'av'ere toutefois indispensable en EELS pour mesurer correctement le signal dans la région des très basses énergies. Les propriétés diélectriques des composés Ti2AlC et Ti2AlN sont remarquablement différentes suivant l'orientation cristallographique de la sollicitation. du faisceau électronique incident dans le plan de base ou le long de l'axe de c. Les propriétés diélectriques très différentes en fonction de l'orientation du cristal ont été mises en 'évidence et ont donc confirmé l'anisotropie montre par la théorie à l'origine de cette 'étude. L'étude d'autres composés en couches minces tel que Ti2GeC, Ti2SnC dont la synthèse a été réalisée nous a permis d'étudier l'influence des éléments A sur les propriétés diélectriques et optiques de ces matériaux. Un modèle phénoménologique semi-classique de Drude-Lorentz a été utilisé pour reproduire la fonction ". Dans ce modèle la réponse d'un métal à une excitation electromagnétique est décrite comme celle d'un gaz d'électrons libres et d'une somme d'oscillateurs représentant les transitions interbandes possibles. Après ajustement de ce modèle aux mesures expérimentales, il a été possible d'extraire la densité électronique et d'estimer un temps de relaxation des électrons libres. Ces mesures ont ensuite été utilisées pour déduire la conductivité statique qui a été comparée aux meures macroscopiques. Les résultats sont en bon accord avec les valeurs publiées et nous permettent de confirmer que la conductivité statique présente une forte anisotropie dans Ti2AlC et Ti2AlN. Enfin, une approche ab initio a été mise en œuvre afin de modéliser les constantes diélectriques complexes. Ces calculs basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps (TDDFT) reproduisent l'anisotropie de la réponse diélectrique et montrent qu'elle est intimement liée aux champs locaux.

Ce manuscrit de thèse présente une étude expérimentale des propriétés optiques, électroniques et structurales du diamant fortement dopé au bore. Ce semi-conducteur à large bande interdite peut être synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde (MPCVD). Il est intrinsèquement isolant mais devient métallique, voire supraconducteur conventionnel par dopage de type p. Ce travail s'articule autour de trois grands axes :Le premier concerne le développement de l'ellipsométrie spectroscopique pour la caractérisation de couches de diamant monocristallin. Dans un premier temps, des modèles optiques ont été développés afin de déduire les épaisseurs, résistivités et concentrations de porteurs de plusieurs séries d'échantillons mesurés ex situ. Ces valeurs ont été confrontées à celles obtenues par le biais de mesures SIMS (Spectroscopie par Emission d'ion Secondaires) et de transport électronique. Une masse effective optique des porteurs a pu ainsi être évaluée. Dans un second temps, cette technique a été mise en oeuvre in situ sur le réacteur. L'influence de la température et de la géométrie de la chambre de réaction a été évaluée et des suivis de croissance en temps réel sont présentés.Le second axe porte sur la synthèse des échantillons et l'optimisation des paramètres de croissance. Dans cette partie, nous révélons la présence d'un transitoire dans l'incorporation du bore conduisant à une inhomogénéité de dopage des échantillons. Une augmentation de l'incorporation du bore avec le débit a également été observée pour la première fois. Enfin, la détérioration de la qualité cristalline du diamant, au delà d'une concentration critique d'atomes de bore, est identifiée et discutée.Le troisième et dernier axe de ces travaux de recherche, est dédié à l'investigation des propriétés électroniques du diamant fortement dopé par magnéto-transport de 300K à 50 mK. Dans un premier temps, l'importance de la mésa-structuration de croix de Hall lors des mesures de transport est mise en évidence. L'utilisation d'une géométrie « maîtrisée », permet en effet de limiter les courants parasites dus à l'inhomogénéité de dopage des couches. Nous avons ainsi pu construire un diagramme de phase différent de celui qui avait été rapporté dans la littérature. Une phase métallique et non supraconductrice a été mise en évidence pour la première fois. Une étude de la transition métal-isolant est présentée, et les exposants critiques issus de sa modélisation sont discutés. L'étude de l'état supraconducteur enfin, nous a permis d'aboutir à une nouvelle dépendance de la température de transition (Tc) avec le dopage. Cette dernière est comparée aux calculs ab initio de la littérature. Aucune réduction de la Tc avec l'épaisseur n'a en revanche été observée dans la gamme des couches synthétisées à savoir de 10 nm à 2 µm. / This PhD thesis reports on an experimental study of optical, electronic and structural properties of heavily boron-doped diamond. This wide bandgap semiconductor can be synthesized by Plasma Enhanced Chemical Vapor (MPCVD). Diamond is an insulator that may turn metallic and even superconductor (conventional) upon p-type doping.This work can be divided into three main parts :The first one involves the development of spectroscopic ellipsometry for characterizing single crystal diamond epilayers. First, optical models have been developed to derive the thickness, resistivity and carrier concentrations of several sets of samples measured ex situ. These values were then compared to those obtained through SIMS profiles (Secondary Ion Mass Spectroscopy) and transport measurements. As a result, an optical effective mass of carriers was determined. Second, this technique has been implemented to be set up in situ on the reactor. The influence of the temperature and the geometry of the growth chamber has been evaluated, and real time growth monitoring was achieved.The second part is related to the sample synthesis and optimization of growth parameters. In this section, we reveal the presence of a transient regime in the boron incorporation leading to a doping inhomogeneity. An increase of boron incorporation with the gas flow was also observed for the first time. Finally, the deterioration of the crystalline structure of diamond, above a critical dopant concentration, was identified and discussed.The third axis of this research is dedicated to the investigation of the electronic properties of heavily doped diamond by magneto-transport from 300K to 50 mK. First, the importance of the Hall bar mesa patterning for transport measurements is stressed. The use of a “controlled” geometry limited parasitic currents associated with doping inhomogeneities. Thus we could construct a new phase diagram, differing from previous reports in the literature. A metallic and non-superconducting layer has been unveiled for the first time. A study of the metal-insulator transition is reported and the critical exponents deduced from its modelling are discussed. Finally, the study of the superconducting state revealed a new dependence of the transition temperature (Tc) on doping which is compared with ab initio calculations. However, not any significant reduction of Tc was observed when the layer thickness dropped from 2 µm to 10 nm.

Le phénomène de relâchement de nickel des tubes de générateur de vapeur des centrales R.E.P. est responsable d'une grande partie de la contamination radioactive du circuit primaire. Une solution envisagée pour limiter ce relâchement est l'application d'un revêtement anticorrosion, côté interne des tubes. Ce travail vise à étudier la faisabilité et l'efficacité de ce type de traitement de surface dans les conditions du circuit primaire (320°C, 150 bars). L'étude a permis d'établir un procédé de synthèse par voie sol-gel compatible avec des substrats métalliques, conduisant à des films denses et mésoporeux à partir d'alcoxydes de métaux de transition, dont la réactivité est contrôlée par l'ajout de l'acétylacétone. La température de traitement thermique conditionne la cristallisation des films, la formation d'une couche enrichie en chrome contribuant à l'effet anticorrosion et la diffusion de nickel et de fer dans le film. Les films denses de ZrO2 présentent un meilleur effet barrière à la diffusion cationique et constitue une barrière anticorrosion. L'applicabilité des films de ZrO2 sur les tubes de générateur de vapeur à l'état de réception a été réalisée en adaptant l'épaisseur du film. Des essais de vieillissement dans les conditions du milieu primaire en autoclave et dans une boucle à recirculation ont été réalisés. Ces essais ont montré un phénomène de dissolution et reprécipitation des films de TiO2 tandis que les films de ZrO2 conservent davantage leur structure, malgré la formation de porosités en surface. Les films de ZrO2 vieillis pendant 500 h semblent conserver leurs propriétés de barrière à la diffusion de nickel. / Steam generator nickel release represents a major contribution to the radioactive contamination of the Pressurized Water Reactor primary circuit. One of the considered solutions is the deposition of a protective coating on the internal side of the alloy 690 tubes. The goal of this work is to study these coatings and their feasibility and efficiency in the primary circuit conditions (320°C, 150 bars). Firstly, a sol-gel thin film synthesis, leading to dense and mesoporous films, from transition metals alcoxides (butoxide titanium and propoxide zirconium) has been studied. Their reactivity is controlled by acetylacetone, which plays the role of complexing agent. The thermal treatment temperature appears to be a key parameter of the process, as it determines the oxide crystallization, the formation of a rich chromium layer below the film (which reinforces anticorrosion properties) and the nickel and iron diffusion in the film. ZrO2 coatings behave as cationic diffusion barriers and limit the corrosion. The applicability of ZrO2 coatings on industrial substrates, namely steam generators internal side with a 200 nm roughness, has been carried out by adapting the film thickness. Ageing tests in the primary circuit conditions have been conducted in an autoclave and a circulation loop. These tests have shown a dissolution – reprecipitation behavior of TiO2 coatings whereas ZrO2 coatings keep their structure despite the formation of surfacic porosities. ZrO2 dense coatings seem to keep limiting the nickel diffusion after 500 h of ageing in the primary circuit conditions.

Ce travail est une contribution à l'étude de l'interaction entre des couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et un plasma d'hydrogène, dans un réacteur de dépôt par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Le suivi in situ de la cinétique de gravure par l'hydrogène atomique est réalisé par ellipsométrie UV-visble. Les différents paramètres de plasma (température, puissance radiofréquence, pression du gaz H2, type de dopage du matériau) pouvant impacter cette cinétique ont été sondés. L'analyse des spectres d'ellipsométrie spectroscopique, à l'aide d'un modèle optique approprié, a permis de mettre en évidence leurs effets sur le temps de formation de la couche modifiée par l'hydrogène, son épaisseur et son excès d'hydrogène, ont été analysés. Le même traitement au plasma d'hydrogène appliqué à des jonctions i/p et i/n, révèle un comportement particulier de la cinétique de gravure dans la zone de jonction. Ce comportement a été interprété dans le cadre d'un modèle simple de diffusion de l'hydrogène sous champ électrique. / This work is a contribution to the study of the interaction between hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films and hydrogen plasma in a PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) reactor. The kinetics of silicon etching by atomic hydrogen is monitored in situ by UV - visble ellipsometry .Several plasma parameters (temperature, RF power, H2 gas pressure, the doping of the material) that may impact the kinetics were probed. An analysis of the spectroscopic ellipsometry spectra, thanks to an appropriate optical model, allowed evidencing their effects on the time constant, the thickness and the hydrogen excess of the H-modified layer.The same hydrogen plasma treatment repeated on i/p and i/n H base junctions revealed a particular behavior of the etching kinetics in the junction zone. This effect is interpreted in the frame of a simple of hydrogen diffusion model under an electric field.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail porte sur l’exaltation de l’effet magnéto-optique (MO) Kerr transverse induite par des «résonances extraordinaires» dans un réseau d’or périodique 1D déposé sur un oxyde de grenat magnéto-optique. La structure complète incluant le réseau métallique 1D a été conçue, simulée numériquement, dimensionnée, fabriquée puis caractérisée. Un algorithme de type RCWA (Rigorous Coupled Wave Algorithm) adapté au calcul parallèle a été développé et utilisé d’une part pour l’étude théorique des modes résonants dans les réseaux magnétoplasmoniques et d’autre part pour l’analyse des données de mesures optiques et magnéto-optiques d’ellipsométrie à base de matrices de Mueller. L’impact sur la réflectivité angulo-spectrale du couplage entre les modes Fabry-Pérot des fentes du réseau et les plasmons de surface à l’interface entre l’or et la couche de grenat MO est ainsi étudié, en utilisant les paramètres optiques et magnéto-optiques réels des matériaux. Pour cela, les caractéristiques optiques du substrat en sGGG (grenat de gallium et gadolinium dopé CaMgZr) et du matériau Bi:GIG (grenat de fer et de gadolinium substitué bismuth) sont au préalable déterminés dans la gamme spectrale 0,73 – 6,42 eV (193 nm-1,7 μm) par ellipsométrie à base de matrices de Mueller. Puis de même la dispersion des composantes magnéto-optiques du tenseur diélectrique est obtenue en appliquant un champ magnétique externe dans le plan, en configuration longitudinale ou transverse. Ces données mesurées sont alors utilisées dans les simulations. Il est ainsi démontré numériquement que grâce à l’interaction des résonances de surface et de cavité dans le réseau 1D l’effet Kerr transverse peut être exalté, éteint ou même de signe inversé, et cela sans renverser ou modifier l’aimantation de la couche magnéto-optique. Pour confirmer les résultats théoriques, une série d’échantillons comportant des réseaux de fentes différentes a été fabriquée par lithographie électronique et procédé de lift-off. Afin de reproduire les données des matrices de Mueller mesurées, les modèles ont été adaptés et optimisés pour tenir compte des imperfections des structures réelles. Les mesures expérimentales confirment l’exaltation de l’effet Kerr magnéto-optique transverse due aux effets magnéto-plasmoniques et prouvent la validité des modèles. / This work studies the enhancement of the transverse magneto-optical Kerr effect by exploiting extraordinary resonances occurring in 1D periodic grating. The 1D periodic gold grating structure was designed, described, numerically simulated, and fabricated. A rigorous Coupled Wave Algorithm (RCWA) developed for parallel computing is used for the theoretical study of resonant modes in magnetoplasmonic gratings and for analysis of optical and magneto-optical data measured by Mueller matrix ellipsometry. The impact of coupling between Fabry-Perot modes inside grating air-gaps and surface plasmon mode at the interface between gold and MO garnet layer is studied via spectra of specular reflectivity and for the various angles of incidence. In a first step, the optical functions of the (CaMgZr)-doped gallium-gadolinium garnet (sGGG) substrate and the Bi-substituted gadolinium iron garnet (Bi:GIG) are obtained in the spectral range from 0.73 eV to 6.42 eV (wavelength range 193 nm – 1.7 μm). Subsequently, the spectra of the magneto-optical tensor components are obtained by applying an external in-plane magnetic field in longitudinal and transverse geometry. The obtained functions are then used for numerical simulations demonstrating that by hybridization of surface and cavity resonances in this 1D plasmonic grating, the transverse Kerr effect can be further enhanced, extinguished or even switched in sign and that without inverting or modifying the film's magnetization. To confirm theoretical results a set of samples, gratings with a different width of an air-gap, was fabricated using electron beam lithography and liftoff technique. To be able to reproduce Mueller matrix data from the samples, the models describing realistic structures were further developed and optimized. Experimental measurements of real structures confirm transverse MO effect enhancement using magnetoplasmonic effects and prove applicability of numerical models.