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Depuis la fin du 20ième siècle, l'étude de matériaux manométriques a permis la découverte de nouvelles propriétés liées à la taille. Ces "effets de taille" sont controversés car ils dépendent fortement de la méthode d'élaboration, de l'état de surface et structural du nano-système. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'influence de l'environnement sur les propriétés structurales et diélectriques de nano-couche de Gd2O3:Eu3+ élaborées par deux techniques différentes.<br /><br /> Dans une première partie, nous analysons le comportement d'agrégats de Gd2O3:Eu3+ élaborés par la technique d'évaporation laser assistée par un jet d'hélium, au contact de matrices sol-gel de Gd2O3 et de TiO2. On observe après traitements thermiques, la diffusion des agrégats dans leurs environnements. Dans une matrice de TiO2, il y a formation du composé cristallisé Gd2Ti2O7:Eu3+ de structure pyrochlore. Nous avons alors comparé deux méthodes d'élaboration de ce composé, sous forme de film mince, basées sur l'interdiffusion de couches manométriques d'oxydes: une couche sol-gel ou d'agrégats de Gd2O3:Eu3+ piégée entre deux couches de TiO2. Le composé ternaire cristallise à plus basse température dans le premier cas mais le film est mieux cristallisé dans le second. Les propriétés des nano-systèmes dépendent donc fortement des méthodes d'élaboration.<br /><br /> Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la relation reliant la durée de vie d'émission d'un émetteur à l'indice de réfraction de son environnement. Pour la première fois, nous avons mesuré la distance limite d'influence de cet effet en enregistrant les durées de vie d'émission d'une nano-couche de Gd2O3:Eu3+ en fonction du nombre de couche de TiO2 recouvrant la couche luminescente. Lorsque l'épaisseur de TiO2 augmente, la durée de vie radiative diminue jusqu'à saturation. Le rayon de la sphère d'influence de l'indice de réfraction est alors estimé à 150 nm, soit un quart de la longueur d'onde d'émission. Cette distance correspond à la dimension critique où la définition de l'indice de réfraction à l'échelle macroscopique doit être considérée à l'échelle manométrique.

Dans la course à la miniaturisation des dispositifs de la microélectronique, les alliages SiGe sont des matériaux remarquables pour poursuivre l'amélioration des performances des composants de type CMOS, le Silicium atteignant aujourd'hui ses limites physiques. En effet, une méthode originale pour appliquer une contrainte de compression uniaxiale au canal de conduction Silicium, afin d'augmenter la mobilité des trous des transistors pMOS, consiste à remplacer le Silicium dans les régions Source et Drain par des couches SiGe pseudomorphiques. L'utilisation de sources solides sacrificielles de Germanium peut être une solution pour la fabrication de telles structures. Dans ce travail, nous avons ainsi étudié l'interdiffusion Ge-Si, induite par recuit thermique à haute température, à partir d'hétérostructures Ge/Si dont la couche de Germanium est déposée par CVD. Le développement de la méthodologie SIMS MCs2+, que nous réalisons dans cette thèse, assure la caractérisation chimique de couches graduelles Si1-xGex dans la gamme complète de concentrations (0 d x d 1). Nous montrons que l'interdiffusion Ge-Si est fortement dépendante de la composition en Germanium mais également des défauts structuraux formés aux interfaces Ge-Si. Nous avons alors développé un modèle qui permet de reproduire fidèlement les profils expérimentaux. L'effet du dopage Bore tend à réduire légèrement l'interdiffusivité. Finalement, nous montrons que l'utilisation de couches de Germanium polycristallin est prometteuse pour la fabrication de couches graduelles Si1-xGex. En effet, elle permet de réduire la densité de défauts structuraux initialement présents dans les films monocristallins.

Ce travail de thèse, de nature théorique, présente trois axes de recherche portant sur des processus dynamiques aux interfaces polymères. 1) Démouillage de films minces de polymères : la formation de trous dans des films liquides déposés sur un substrat de basse énergie se caractérise, dans le cas des polymères, par la formation de profils d'ouverture dissymétriques et par des lois de croissance différentes du cas des liquides newtoniens. Nous avons étudié l'influence du comportement rhéofluidifiant des polymères au-dessus de leur température de transition vitreuse sur ces processus d'ouverture de trous, pour des films d'épaisseurs micro à nanométrique. Notre modèle permet notamment la prédiction de régimes de croissance du rayon de la zone sèche et de la hauteur du bourrelet se formant en périphérie du trou, en bonne adéquation avec des résultats expérimentaux récents de Debrégeas et Reiter. 2) Adhésion d'un film polymère sur substrat solide : l'énergie à fournir pour séparer une couche de polymère du substrat sur lequel elle est déposée est généralement très supérieure au simple travail des forces intermoléculaires de van der Waals. L'origine de cette amplification de la force d'adhésion des polymères réside dans l'existence de processus dissipatifs locaux en tête de fracture, accompagnée, pour certains matériaux viscoélastiques, d'une dissipation visqueuse en volume. Nous avons étendu le modèle de la "trompette viscoélastique", dû à P.-G. de Gennes, au cas des élastomères et des fondus au contact avec un substrat rigide, pour comparer nos prédictions théoriques sur l'énergie d'adhésion et les profils d'ouverture avec des expériences réalisées par T. Ondarçuhu sur du PDMS déposé sur substrat de silicium. 3) Dynamique d'interdiffusion à l'interface entre fondus de polymères : nous proposons un scénario analytique complet des processus d'interpénétration mutuelle entre deux fondus de polymères, formant un système à trois composants caractérisés par des compatibilités sélectives opposées. Dans ce cadre particulier d'interdiffusion non-Fickéenne, nous prédisons la formation d'une interface de morphologie structurée à l'échelle micrométrique en plusieurs zones distinctes, de compositions chimiques et de lois de croissance contrastées.

Les hétérostructures à base d'alliage Silicium Germanium (SiGe) sont utilisées dans certains transistors depuis la fin des années '90. De nouveaux composants très prometteurs pour la nanoélectronique pourraient être fabriqués en utilisant les propriétés quantiques d'objets de basse dimensionalité à base de SiGe. Pour cela, la taille et l'organisation de ces objets doivent être parfaitement contrôlées à l'échelle nanométrique. Le but est d'atteindre des tailles d'îlots de ~20 nm et une densité ~1011/cm2. Une voie simple et peu coûteuse pour la réalisation de telles nanostructures est l'auto-organisation naturelle d'îlots quantiques de Ge par la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM). Les trois problèmes qui persistent à l'heure actuelle pour réaliser ce type de structures sont : 1) l'interdiffusion entre le Ge et le substrat ; 2) la taille moyenne des îlots qui est très inhomogène et toujours supérieure à 70 nm; 3) l'organisation des îlots de taille nanométrique, impossible à réaliser à grande échelle par des techniques locales. Dans ce travail nous avons étudié l'auto-organisation d'îlots de Ge sur des substrats vicinaux de Si nanostructurés, en utilisant un processus à deux étapes qui consiste en : i) l'auto-structuration naturelle du substrat et ii) la nucléation préférentielle des îlots de Ge sur les motifs créés. Dans les trois premiers chapitres des rappels bibliographiques sur les mécanismes de croissance et d'auto-organisation, sur les instabilités de croissance et sur les simulations Monte Carlo sont présentés. Les résultats, à la fois théoriques et expérimentaux de ce travail, ont permis de mettre en évidence une pseudo-barrière Ehrlich-Schwoebel inverse implicite à l'origine de l'instabilité cinétique qui se développe durant l'homoépitaxie Si/Si(001). Les exposants critiques de l'évolution de cette instabilité ont été extraits expérimentalement et sont en bon accord avec la théorie. Les instabilités qui apparaissent durant la croissance SiGe/Si ont des origines complexes liées à un couplage de la contrainte et de la cinétique. Par ailleurs, nous avons mis en évidence une réduction importante de l'énergie élastique d'un système comprenant un îlot de Ge, une couche de mouillage de Ge et un substrat à motifs de Si (où chaque motif est représenté par des marches) lorsque le motif présente au moins trois marches.

Properties of magnetic thin film devices cannot be understood without detailed knowledge of their structure. For this purpose, a variety of thin film and multilayer systems have been studied. Both reciprocal space (low energy electron diffraction, reflection high energy electron diffraction, X-ray diffraction and reflectometry) and direct space (transmission electron microscopy) as well as Rutherford backscattering spectrometry have been applied. To gain understanding of an oxidation procedure for the growth of magnetite layers, thermal stability of iron layers on molybdenum seed layers has been investigated. Following the mosaicity and the out-of-plane coherence length over different ratios between the constituting layers allowed a deeper understanding of the limits of metallic superlattices. This, together with an approach to use hydrogen in the process gas during magnetron sputter epitaxy, opens routes for the growth of metallic superlattices of superior quality. A non-isostructural multilayer/superlattice system, Fe/MgO, has been investigated. In turn, this gave more understanding how superlattice diffraction patterns are suppressed by strain fields. As an alternative route to single-crystalline superlattices, amorphous multilayers present interesting opportunities. In this context, crystallization effects of iron/zirconium layers on alumiunium oxide were studied. Understanding these effects enables significant improvement in the quality of amorphous multilayers, and allows avoiding these, growing truly amorphous layers. Both the substantial improvement in quality of metallic superlattices, approaching true single-crystallinity, as well as the improvements in the growth of amorphous multilayers give rise to opportunities in the field of magnetic coupling and superconducting spin valves.

Availability of amorphous semiconductors in the form of high quality multilayers provide potential applications in the field of micro- and optoelectronics. Although the misfit problems in amorphous multilayers (AML) are considerably reduced compared to crystalline superlattices, there are still some physical processes (e.g. quantum confinement, diffusion) that are not well understood. Recently chalcogenide glass multilayers were prepared with high quality nanomodulation, which demonstrated their potential for tailoring the optical properties. Moreover studies on amorphous nanolayered chalcogenide structures (ANC) are still at the infant stage. These ANCs are similar to the crystalline superlattices, yet distinct from ideal crystalline superlattices produced by molecular beam epitaxy. The ANCs can be considered as well-correlated layers with good periodicity and smooth interface. They are attractive because of the prominent photoinduced effects, similar to those exhibited by uniform thin films. For example, photoinduced diffusion in short period multilayer systems is important because of its potential applications in holographic recording and fabrication of phase gratings. In spite of its practical usefulness, the mechanism of photoinduced interdiffusion is not properly understood. Since most structural changes are related to atomic diffusion, understanding of the structural transformation must be based on the diffusion process. Moreover, in AML, the process of interdiffusion is not well understood. The main aim of this thesis is to study the photoinduced interdiffusion in Se/As2S3 and Bi/As2S3 nanolayered films. In literature, there are reports about the photoinduced interdiffusion in Se/As2S3 and Bi/As2S3 nanolayered films, but the mechanisms of photoinduced interdiffusion of these elements are not properly understood. Raman scattering and infrared spectroscopy techniques were used to study the photoinduced interdiffusion in Se/As2S3 and Bi/As2S3 nanolayered films by Kikineshi et al, but the results were not satisfactory. The characteristic spectra of components in the multilayer and those of the mixed layer were rather similar. In the present thesis, photoinduced interdiffusion in Se/As2S3 and Bi/As2S3 nanolayered samples are studied by optical absorption spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Photoluminescence (PL). The detailed information about the distribution of electronic states in the absorption edge, localized states and the new bonds formed between the components due to photoinduced interdiffusion elucidated from the above studies will give more insight into the mechanism and kinetics of photoinduced interdiffusion. The thesis consists of six chapters. References are given at the end of each chapter. Various general and unique physical properties of amorphous chalcogenides are discussed in Chapter 1. This chapter summarizes the fundamental aspects of amorphous state, such as the structure and its models, electronic band structure, defects as well as the physical properties like d.c conductivity, a.c conductivity, optical absorption, photoconductivity and PL. A more detailed account of the various photoinduced effects are also discussed. Apart from this, similar photoinduced effects observed in other systems like a-Si:H, oxide glasses, Polymers etc are described in brief. Finally, the scope of present investigations is furnished. Chapter 2 has been devoted to photoinduced interdiffusion and related changes in optical properties of nanolayered Se/As2S3 films. It begins with a brief introduction followed by a survey of the earlier work done on these multilayered films. The theory of optical absorption and experimental procedures are discussed. Photoinduced interdiffusion was observed with above band gap light in nanolayered Se/As2S3 films. It is discussed in terms of the optical parameters such as bandgap, Urbach edge (Ee) and Tauc’s parameter (B1/2). From the analysis of the optical absorption spectra, it was concluded that the optical bandgap, Ee and B1/2 change with photoinduced interdiffusion. These changes in properties are ascribed to the solid solution formation due to the intermixing of adjacent layers. The photoinduced intermixing of the adjacent layers are obviously related to the photoinduced viscous flow and it depends on the number of excited chalcogen bridge atoms, which determine the local deformations due to the bond switching and displacements. Experimental data of B1/2 and Ee for as prepared samples do not show a clear correlation implied by the Mott-Davis model. It is also observed that the optical parameters can be changed with a change in the Se sublayer thickness. Variations of these optical parameters as a function of modulation period and photoinduced interdiffusion were discussed in terms of the quantum confinement effect and changes in the valence and conduction bands. Chapter 3 deals with the PL studies on as prepared and irradiated samples of Se/As2S3 nanolayered films. The theory of PL, experimental procedures and data analysis are discussed in detail. PL studies were carried out on as prepared and irradiated nanolayered samples of Se/As2S3 films. None of the samples showed PL at 77 K, which clearly indicate that there exists a competitive non-radiative mechanism. We observed a broad PL in the range of 0.8–1.2 eV for as prepared and irradiated samples at 4.2 K. The observed stoke shift in PL is discussed in terms of the strong electron-phonon coupling at the recombination centers. We found that the PL intensity can be increased by several orders of magnitude by irradiating the samples with appropriate wavelengths in the range of the absorption edge. The broadening of luminescence bands takes place either with a decrease in Se layer thickness or with irradiation. The former is due to the change in interface roughness while the latter is due to photoinduced interdiffusion. Deconvolution showed that the PL spectrum consists of five transitions. The deconvoluted peak PL intensity, PL quantum efficiency and full width at half maximum are varying according to the function of sublayer thickness and interdiffusion. All these results indicate the high impact of interdiffusion on the luminescence intensity in the given AML is due to changes of defect states, which in turn are not directly connected to the band structure, i.e., confinement effects are not essential for this type of luminescence. The whole picture is complex due to more complicated carrier relaxation and recombination process, possibly with several interconnected effects, which are not properly understood, but the possibility for tuning the optical parameters of the Se/As2S3 nanolayered films, including the low temperature luminescence, is established. Chapter 4 is on kinetics and chemical analysis of photoinduced interdiffusion in nanolayered Se/As2S3 films. The basic formalism of X-ray photoelectron spectroscopy and in situ optical absorption spectroscopy together with a brief description of the theory and data analysis adopted in the present studies are given. We have studied the kinetics of photoinduced interdiffusion in nanolayered Se/As2S3 film by in situ optical absorption measurements. All previous measurements were performed ex situ, i.e., a film exposed under light irradiation during the measurement was never studied. In situ changes in the transmission spectra were measured, but at a fixed wavelength. Since the measurements were done on a single wavelength, the kinetics of the variation of optical bandgap and Tauc parameter were missing. In short, information has been missing about the metastable changes in the multilayer structure during photoinduced interdiffusion. In situ changes in transmission spectra were recorded over the wavelength range λ=400-1000 nm, and also at fixed wavelengths to understand the changes in absorption coefficient, optical bandgap and Tauc parameter during photoinduced interdiffusion. The in situ optical absorption measurements reveal that the photo darkening in amorphous nanolayered Se/As2S3 film is followed by photoinduced interdiffusion. An increase in disorder during photodarkening and its subsequent decrease during photoinduced interdiffusion was also observed. The observation of photodarkening of Se at room temperature when confined between As2S3 layers suggests that the glass transition temperature of Se shifts to higher temperature. The analysis shows that the atoms, which take part in photodarkening, play a vital role in photoinduced interdiffusion. We used XPS to analyze the new bonds formed between the components due to photoinduced interdiffusion. The XPS results showed that there is a considerable decrease in the As-S, As-As and S-S bonds after photoinduced interdiffusion; As-O and some of the S-S homopolar bonds are retained. There was a considerable decrease in As-S bond followed by an increase in As-Se and S-Se bonds. XPS analysis also shows that during photodiffusion, heteropolar bonds replace homopolar bonds, i.e., the irradiated samples are chemically ordered than the corresponding as prepared samples. Chapter 5 is concerned with the photoinduced interdiffusion in Bi/As2S3 nanolayered films. A brief description about the photoinduced interdiffusion of metals such as Ag, Zn, etc is given in the introduction. The experimental procedures and data analysis are also given. Two sets of samples with different ratios of sublayer thickness (d), d-Bi/d-As2S3 = 1/12 and 1/6 prepared by cyclic thermal evaporation are employed for the present study. A pump probe optical absorption technique was used to study the photoinduced interdiffusion in Bi/As2S3 nanolayered samples. Photoinduced interdiffusion of Bi into As2S3 was observed in both the films. The XPS analysis shows that the as prepared samples contain a large number of wrong As–As bonds and some of the As-As bonds are converted to As-S bonds during irradiation. The XPS analysis also reveals that the Bi is forming only bond with S during photoinduced interdiffusion. Chapter 6 summarizes the essential features of the present work and also points a few possible directions along which further work can be carried out.

Abstract : Photonic Integrated Circuits (PIC) are of tremendous interest for photonics system in order to reduce their power consumption, size, fabrication cost and improve their reliability of fiber optics linked discrete component architecture. However, unlike for microelectronics, in photonics different heterostructures are required depending on the type of device (laser sources, detectors, modulators, passive waveguides…). Therefore photonics integration needs a technology able to produce multiple bandgap energy wafers with a suitable final material quality in a reproducible manner and at a competitive cost: a technological challenge that has not been completely solved yet. Quantum Well Intermixing (QWI) is a post growth bandgap tuning process based on the localized and controlled modification of quantum well composition profile that aims to address these matters. UV laser induced QWI (UV-Laser-QWI) relies on high power excimer laser to introduce point defects near the heterostructure surface. By adjusting the laser beam shape, position, fluence and the number of pulse delivered, the different regions to be intermixed can be defined prior to a rapid thermal annealing step that will activate the point defects diffusion across the heterostructure and generate quantum well intermixing. UV-LaserQWI presents the consequent advantage of allowing the patterning of multiple bandgap regions without relying on photolithographic means, thus offering potentially larger versatility and time efficiency than other QWI processes. UV-Laser-QWI reproducibility was studied by processing samples from an InGaAs/InGaAsP/InP 5 quantum well heterostructure emitting at 1.55 µm. 217 different sites on 12 samples were processed with various laser doses. The quantum well intermixing generated was then characterized by room temperature photoluminescence (PL) mapping. Under those experimental conditions, UV-Laser-QWI was able to deliver heterostructures with a PL peak wavelength blue shift controlled within a +/- 15 % range up to 101.5nm. The annealing temperature proved to be the most critical parameter as the PL peak wavelength in the laser irradiated areas varied at the rate of 1.8 nm per degree Celsius. When processing a single wafer, thus limiting the annealing temperature variations, the bandgap tuned regions proved to be deliverable within ± 7.9%, hence establishing the potential of UV-Laser-QWI as a reproducible bandgap tuning solution. The UV-Laser-QWI was used to produce multiple bandgap wafers for the fabrication of broad spectrum superluminescent diodes (SLD). Multiple bandgap energy profiles were tested and their influence on the SLDs’ performances was measured. The most favorable bandgap modifications for the delivery of a very broadband emitting SLD were analyzed, as well as the ones to be considered for producing devices with a flat top shaped spectrum. The intermixed SLDs spectra reached full width at half maximum values of 100 nm for a relatively flattop spectrum which compare favorably with the ≈ 40nm of reference devices at equal power. The light-intensity characteristics of intermixed material made devices were very close to the ones of reference SLD made from as-grown material which let us think that the alteration of material quality by the intermixing process was extremely limited. These results demonstrated that the suitability of UV-Laser-QWI for concrete application to photonic devices fabrication. Finally, an alternative laser QWI technique was evaluated for SLD fabrication and compared to the UV laser based one. IR-RTA relies on the simultaneous use of two IR laser to anneal local region of a wafer: a 980 nm laser diode coupled to a pigtailed fiber for the wafer background heating and a 500 µm large beam TEM 00 Nd:YAG laser emitting at 1064 nm to anneal up to intermixing temperature a localized region of the wafer. The processed samples exhibited a 33 % spectral width increase of the spectrum compare to reference device at equal power of 1.5 mW. However, the PL intensity was decreased by up to 60 % in the intermixed regions and the experiments proved the difficulty to avoid these material degradations of material quality with IR-RTA. / Résumé : L’intégration de circuit photonique vise à réduire la consommation énergétique, la taille, le coût et les risques de panne des systèmes photoniques traditionnels faits de composants distincts connectés par fibre optique. Cependant, contrairement à la microélectronique, des hétérostructures spécifiques sont requises pour chaque composant : lasers, détecteurs, modulateurs, guides d’ondes… De cette constatation découle le besoin d’une technologie capable de produire des gaufres d’hétérostructures III/V de qualité à plusieurs énergies de gap, et ce de façon reproductible pour un coût compétitif. Aucune des techniques actuelles ne répond pour l’instant pleinement à tous ces impératifs. L’interdiffusion de puits quantique (IPQ) est un procédé post épitaxie basé sur la modification locale de la composition des puits quantiques. L’IPQ induite par laser UV (IPQ-UV) est basée sur l’utilisation de laser excimer (Argon-Fluor émettant à 193 nm ou Krypton-Fluor à 248 nm) pour introduire des défauts ponctuels à la surface de l’hétérostructure. En ajustant la taille du faisceau, sa position, son énergie ainsi que le nombre d’impulsions laser délivrées à la surface du matériau, on peut définir les régions à interdiffuser ainsi que leur futur degré d’interdiffusion. Un recuit de la gaufre active ensuite la diffusion des défauts et par conséquent l’interdiffusion du puits. L’IPQ-UV présente l’avantage considérable de se passer de photolithographie pour définir les zones de différentes énergies de gap, diminuant ainsi la durée et potentiellement le coût du procédé. La reproductibilité de l’IPQ-UV a été étudiée pour l’interdiffusion d’une structure à 5 puits quantiques d’InGaAs/InGaAsP/InP émettant à 1.55 µm. 217 régions sur 12 échantillons ont été irradiés par un laser KrF avec des nombres d’impulsion variables selon les sites et avec une densité d’énergie constante de 155 mJ/cm². Les modifications de la structure générée par ce traitement furent ensuite mesurées par cartographie en photoluminescence (PL) à température ambiante. L’analyse des données montra que l’IPQ-UV permet un contrôle du décalage vers le bleu du pic de PL à +/- 15 % jusqu’à 101.5nm. La température du recuit est apparue comme le paramètre crucial du procédé, puisque la longueur d’onde du pic de PL des zones interdiffusées varie de 1.8 nm par degré Celsius. En considérant les sites irradiés sur une seule gaufre, c’est à dire en s’affranchissant des variations de température entre deux recuits de notre système, la variation du pic de PL est contrôlable dans une plage de ± 7.9%. Ces résultats démontrent le potentiel de l’IPQ-UV en tant que procédé reproductible de production de gaufre à plusieurs énergies de gap. L’IPQ-UV a été utilisé pour la fabrication de diodes superluminescentes (DSLs). Différents type de structure à énergie de gap multiple ont été testés et leurs influences sur les performances spectrales des diodes évalués. Les spectres des DSLs faites de matériau interdiffusé ont atteint des largeurs à mi-hauteur dépassant les 100 nm (jusqu’à 132 nm), ce qui est une amélioration conséquente des ≈ 40nm des DSLs de référence à puissance égale. Les caractéristiques intensité–courant des DSLs interdiffusés furent mesurées comme étant très proches de celle des dispositifs de référence faits de matériau brut, ce qui suggère que l’IPQ-UV n’a pas ou très peu altéré la qualité du matériau initial. Ces résultats prouvent la capacité de l’IPQ-UV à être utilisé pour la fabrication de dispositifs photoniques. Une technique alternative d’IPQ par laser a été évaluée et comparée à l’IPQ-UV pour la fabrication de DSL. Le recuit rapide par laser IR est basé sur l’utilisation simultanée de deux lasers IR pour chauffer localement l’hétérostructure jusqu’à une température suffisante pour provoquer l’interdiffusion: une diode laser haute puissante émettant à 980 nanomètre couplée dans une fibre chauffe la face arrière de la gaufre sur une large surface à une température restant inférieure à celle requise pour provoquer l’interdiffusion et un laser Nd:YAG TEM 00 émettant à 1064 nm un faisceau de 500 µm de large provoque une élévation de température additionnelle localisée à la surface de l’échantillon, permettant ainsi l’interdiffusion de l’hétérostructure. Les dispositifs fabriqués ont montré une augmentation de 33 % de la largeur à mi-hauteur du spectre émis à puissance égale de 1.5 mW. Cependant, l’intensité du pic de PL dans les zones interdiffusées est diminuée de 60 %, suggérant une dégradation du matériau et la difficulté à produire un matériau de qualité satisfaisante.

Magnesium, being lightweight, offers potential to be developed into extensive structural applications. The transportation segment has particular interest in Mg and Mg alloy for applications where reduced vehicle weight is proportional to increased fuel efficiency. Aluminum and zinc are two of the most common alloying elements in commercial Mg alloys. They improve the physical properties of Mg through solid solution strengthening and precipitation hardening. Diffusion plays a key role in the kinetics of and microstructural development during solidification and heat treatment. However, there is limited diffusion data available for Mg and Mg alloys. In particular, because Al is monoisotopic, tracer diffusion data is not available. Interdiffusion of Mg solid solution with Zn also does not exist in literature. The diffusional interaction of Al and Zn in Mg solid solution at temperatures ranging from 623 – 723K was examined using solid-to-solid diffusion couple method. The objective of this thesis is two-fold: first, is the examination of interdiffusion in the Mg solid solution phase of the binary Mg-Al and Mg-Zn systems; second, is to explore non-conventional analytical methods to determine impurity diffusion coefficients. The quality of diffusion bonding was examined by optical microscopy and scanning electron microscopy with X-ray energy dispersive spectroscopy, and concentration profiles were determined using electron probe microanalysis with pure standards and ZAF matrix correction. Analytical methods of concentration profiles based on Boltzmann-Matano analysis for binary alloys are presented along with compositional dependent interdiffusion coefficients. As the iv concentration of Al or Zn approaches the dilute ends, an analytical approach based on the Hall method was employed to estimate the impurity diffusion coefficients. Zinc was observed to diffuse faster than Al, and in fact, the impurity diffusion coefficient of Al was smaller than the self-diffusion coefficient of Mg. In the Mg solid solution with Al, interdiffusion coefficients increased by an order of magnitude with an increase in Al concentration. Activation energy and pre-exponential factor for the average effective interdiffusion coefficient in Mg solid solution with Al was determined to be 186.8 KJ/mole and 7.69 x 10-1 m2/sec. On the other hand, in the Mg solid solution with Zn, interdiffusion coefficients did not vary significantly as a function of Zn concentration. Activation energy and pre-exponential factor for the average effective interdiffusion coefficient in Mg solid solution with Zn was determined to be 129.5 KJ/mole and 2.67 x 10-4 m2/sec. Impurity diffusion coefficients of Al in Mg was determined to have activation energy and pre-exponential factor of 144.1 KJ/mole and 1.61 x 10-4 m2/sec. Impurity diffusion coefficients of Zn in Mg was determined to have activation energy and preexponential factor of 109.8 KJ/mole and 1.03 x 10-5 m2/sec. Temperature and compositiondependence of interdiffusion coefficients and impurity diffusion coefficients are examined with respect to reported values in literature, thermodynamic factor, Φ, diffusion mechanisms in hexagonal close packed structure, and experimental uncertainty

Les systèmes barrière thermique actuels connaissent une importante dispersion de durées de vie liée principalement aux ondulations de surface du revêtement métallique β-(Ni,Pt)Al provoquant l’écaillage du dépôt céramique. Les revêtements γ-γ’ riches en platine sont étudiés en tant qu’alternative au système actuel. Ce travail de thèse s’est intéressé à l’élaboration des revêtements γ-γ’ riches en platine sur un superalliage à base de nickel, l’AM1 à partir de procédés conventionnels : dépôt électrolytique de platine et aluminisation courte. Les mécanismes de dégradation par oxydation cyclique à 1100°C ont été étudiés sur des systèmes revêtement/AM1 et sur des systèmes barrière thermique. Pour comparaison, trois types de revêtement ont été élaborés : γ-γ’ Pt seul, γ-γ’ Pt+Al et β-(Ni,Pt)Al. Ces essais ont mis en évidence une meilleure tenue à l’oxydation cyclique des systèmes revêtus γ-γ’ Pt+Al comparée aux deux autres systèmes revêtus. L’importance de l’ajout d’aluminium dès l’élaboration sur la tenue à l’oxydation cyclique a été soulignée. La modélisation p-kp a mis en avant une augmentation de la proportion d’écaillage au cours du temps du fait de la dégradation de l’interface métal/oxyde et une augmentation du kp du fait de la formation d’un oxyde à croissance plus rapide. Outre l’oxydation, les phénomènes d’interdiffusion lors des tous premiers instants à haute température ont été étudiés à partir de matériaux modèles (Ni13Al et Ni11Al10Cr) et de revêtements de Pt et/ou de Pt-Ir. Ces essais ont mis en avant la rapide formation de la phase α-NiPtAl, les transformations de phases et les chemins de diffusion à 1100°C dans les systèmes Ni-Al-Pt et Ni-Al-Cr-Pt. L’effet du chrome et de l’iridium sur les cinétiques de diffusion a été évalué. La modélisation de l’interdiffusion a mis en évidence les interactions chimiques entre les espèces et une sursaturation en lacunes dans la zone d’interdiffusion prouvant que l’effet Kirkendall est responsable de la formation des pores. / TBC systems currently used in aircraft engines with a Pt-modified aluminide coating β-(Ni,Pt)Al show an important lifetime dispersion due to the surface undulations of the bond-coating. This phenomenon called rumpling leads to the ceramic scale spallation and is the most common degradation mechanism. Pt-rich γ-γ’ bond-coatings have been extensively studied for their corrosion and oxidation resistance, and as a lower cost alternative to β-(Ni,Pt)Al bond-coatings. The aim of this work was to fabricate Pt-rich γ-γ’ bond-coatings on a first generation Ni-based superalloy, the AM1. Conventional processes were used as a platinum electroplating and a short aluminizing step. The failure mechanisms occurring by cyclic oxidation at 1100°C were studied on coating/superalloy systems and on TBC systems. Three kinds of coatings were fabricated: Pt-only γ-γ’, Pt+Al γ-γ’ and β-(Ni,Pt)Al. These tests highlighted the best oxidation resistance for the Pt+Al γ-γ’/AM1 systems when compared with the two other systems. Al addition during the coating fabrication is necessary to improve the lifetime. The p-kp modeling results pointed out that the oxide scale spalling probability p increases due to the metal/oxide interface degradation with time. If the spallation increases, a breakaway locally occurs with the formation of a fast-growing oxide explaining the kp progression. The interdiffusion phenomena were also investigated during the first times at high temperature from model alloys (Ni13Al and Ni11Al10Cr) and Pt and/or Pt-Ir coatings. These investigations emphasized the rapid formation of the α-NiPtAl phase, the phase transformations and diffusion paths at 1100°C in the ternary Ni-Al-Pt and quaternary Ni-Al-Cr-Pt systems. Chromium and iridium effect was evaluated on the diffusion kinetics. Interdiffusion modeling highlighted the chemical interactions between the species and a vacancy supersaturation in the interdiffusion zone proving that Kirkendall effect is responsible for void formation.