Les déchets solides générés par notre société sont nombreux. Les cendres volantes sont des déchets solides produits lors de la combustion de déchets domestiques ou industriels dans des incinérateurs. Les cendres volantes sont également produites par la combustion du charbon dans les centrales à charbon. Les cendres volantes sont des résultats de ces combustions et représentent importante quantité de déchets produits chaque année par notre société. Les possibilités de recyclage de ces déchets sont nombreuses : dans la construction, l'industrie routière. Elles sont également stockées pour une utilisation ultérieure. Les origines différentes des charbons et déchets incinérés conduisent à une minéralogie et une composition élémentaire complexe. En tant que sous-produit le devenir des cendres volantes est important à déterminer, aussi la détermination de la composition élémentaire de ces cendres volantes est-elle indispensable.Les méthodes classiques de préparation des échantillons solides sont la minéralisation acide ou la fusion alcaline. Ces procédures prennent du temps et supposent l’utilisation de réactif, de plus la digestion complète n'est pas toujours assurée. Le risque de contamination par les réactifs employés est important au cours de ces méthodes classiques de préparation. Au cours de la dernière décennie, le développement d’analyse directe d'échantillons solides en utilisant des méthodes d'ablation laser a été important en raison de la nécessité de réduire le temps d'analyse et de réduire aussi la consommation de réactifs. Dans ce travail, deux méthodes basées sur l'ablation par laser seront étudiées pour l'analyse des cendres: Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) et Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS). La spectrométrie LIBS sera étudiée pour la détermination quantitative des éléments majeurs dans les échantillons de cendres alors que le couplage ablation laser ICP / MS sera employé pour détermination des éléments traces. L'optimisation de la sensibilité et les stratégies d'étalonnage sont les principaux problèmes traités dans ce travail. La préparation des échantillons et l’optimisation ont été effectuées pour déterminer les éléments tels que Al, As, Ba, Ca, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Pb, Sr, V et Zn par les deux méthodes.Les performances analytiques telles que les limites de détection, justesse ont été obtenus à la suite d'optimisations appropriées des liants et de la sélection de l’étalon interne approprié. En conclusion, l’analyse directe de solides en utilisant les techniques basées sur l’ablation laser développées dans ce travail conduisent à une justesse acceptable pour la détermination des éléments majeurs et traces dans les cendres volantes / Solid waste generated by our society are numerous, fly ashes are produced during the combustion of domestic or industrial waste in incinerators. Fly ashes are also produced through coal combustion in coal fired power plants. Fly ashes are results of these combustions and represent important quantity of waste produced every year by our society. They have variable use – in construction, road industry, or they can be stocked for further use. As they are result of different origin, they have complex mineral and elemental composition. As a by-product or as a recycled product fly ashes fate is important to determine. In this view the determination of the elemental composition of fly ashes is the aim of this work.Conventional methods of sample preparation are acid digestion or alkali fusion. These procedures are time and reagent consuming and complete digestion is not assured. The potential contamination of the reagents employed is important during these classical sample preparation methods. During the past decade, development of direct solid sampling using laser ablation methods was important due to the need of reducing analysis time and also reducing reagent consumption. In this work, two methods based on laser ablation will be studied for fly ash analysis: Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) and Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS). LIBS will be studied for quantitative determination of major elements in fly ash samples while Laser ablation / ICP MS will be employed for trace element determination.The sensitivity optimization and different calibration strategies are key problems of laser sampling methods. Sample preparation and condition optimisation were performed to determine major, minor and trace elements such as Al, As, Ba, Ca, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Pb, Sr, V and Zn by both methods – LIBS for major elements and LA-ICP-MS for minor and trace elements.Analytical properties such as detection limits, accuracy and analytical working curves were obtained following suitable optimisation of binders and internal standards. Compromise binder and analytical conditions were selected to determine the elements in fly ash samples.In conclusion, direct solid sampling using laser ablation followed by LIBS or for solid introduction into ICP was found to determine major, minor and trace elements in fly ashes, improving pellets mechanical stability, high samples sensitivity and acceptable accuracy and detection limits.

Lorsqu'une impulsion laser est focalisée sur une cible solide immergée dans un liquide, de la matière est vaporisée. La nucléation et la croissance ont lieu dans le liquide et des nanoparticules sont ainsi synthétisées. La méthode est très polyvalente puisqu'une grande variété de matériaux peut être générée. De plus, les nanoparticules sont directement stabilisées dans le solvant. L'ajout d'agent complexant n'est pas nécessaire mais peut tout de même permettre de mieux contrôler la taille des nanoparticules. Cependant, de nombreux processus sont mis en jeu durant la synthèse et l'objectif de ce travail doctoral est de développer la compréhension de ces éléments. Dans la mesure où l'ablation laser déploie une multitude d'´échelle de temps, il a fallu employer différentes méthodes pour élucider ces mécanismes. Pour commencer, je définirai un état de l'art de l'utilisation de l'ablation laser en milieu liquide et nos résultats concernant la synthèse d'aluminium oxyde dopé chrome. Par la suite, je présenterai la spectroscopie des plasmas et les questions sous-jacentes à la notion d'´équilibre dans un plasma moléculaire. Ensuite, je décrirai notre approche atomistique de la nucléation basée sur les techniques de chimie quantique. Enfin, je montrerai l'apport de l'utilisation des méthodes d'ombrographie pour mieux comprendre la thermodynamique du système au temps plus long. Notre étude démontre que la bulle formée suite à l'ablation laser est constituée essentiellement de molécule du solvant dont la quantité n'évolue quasiment pas au cours du temps de vie de la bulle / When a pulsed-laser is focused into a solid target immersed in water, the material is evaporated. Nucleation and growth occur in the liquid and nanoparticles are synthesized. The method can be considered as versatile because one can try to synthesize any kinds of materials. Also, the nanoparticles are directly stabilized by the solvant so there is no need of complexing agents. The nanoparticles are described as ligand-free. However, various processes can occur during the synthesis and the aim of my work is to understand these different components. Since the laser ablation in liquid displays a wide range of timescales, we used numerous methods to address this problem. First, I will present the use of plasma spectroscopy and the questions it raises towards local thermodynamic equilibrium. Then, I will describe our microscopic approach of nucleation based on quantum chemistry techniques. Finally, I will illustrate the advantages of shadowgraphic measurements to reach an hydrodynamic understanding of the system

L’ablation laser dans l’air à la pression atmosphérique est souvent appliquée dans l’industrie, l’analyse chimique, la chirurgie, … Pour un développement plus approfondi des technologies laser basées sur l’effet d’ablation, il est nécessaire de mieux comprendre les phénomènes à l’origine de l’interaction laser-matière. Lors d’un impact du faisceau laser sur la surface d’un matériau, une plume plasma se forme au dessus de la cible. Ce plasma contient des électrons, des atomes et des ions du matériau évaporé, ainsi que du gaz ambiant, s’il est présent. Lors de l’impulsion laser, cette plume absorbe une grande partie d’énergie du faisceau laser, réduisant ainsi la quantité du rayonnement laser qui arrive à la surface de la cible. Les dimensions, ainsi que les paramètres de cette plume plasma évoluent très rapidement avec le temps. L’étude de la dynamique et des paramètres de cette plume est très importante, parce qu’ils influent sur tous les processus physiques ayant lieu à la surface du matériau traité. Nous avons étudié l’expansion de la plume plasma formée lors de l’ablation des échantillons métalliques (Al, Ti, Fe) par faisceau laser Nd :YAG nanoseconde (durée d’impulsion : 5.1 ns, longueur d’onde : 1064 nm, irradiance de l’ordre de grandeur de GW/cm2) dans l’air à la pression atmosphérique en utilisant la technique d’imagerie rapide. Cette technique nous a permis d’observer l’évolution spatio-temporelle de la plume au début de son expansion. Les résultats obtenus indiquent que la plume d’ablation laser a une structure : deux régions ont été distinguées – le cœur et la périphérie de la plume. La dynamique de ces deux régions de la plume a été étudiée et les vitesses de leur expansion ont été déterminées. En plus, nous avons examiné l’influence de l’irradiance laser, ainsi que l’influence de la composition de la cible sur la dynamique de la plume. D’autre part, nous avons développé des modèles numériques sous COMSOL Multiphysics pour simuler le processus d’ablation laser. Un modèle thermique a été utilisé pour simuler l’interaction laser – cible. Les résultats de ce modèle ont été employés comme conditions à la limite du modèle hydrodynamique, utilisé pour simuler l’expansion de la plume du plasma dans l’air ambiant. Deux approches ont été proposées : approche microscopique et macroscopique. Les résultats de simulation basée sur l’approche macroscopique donnent l’évolution temporelle et distribution spatiale (1D) des paramètres de la plume : masse volumique, vitesse, pression. / Laser ablation in the air at atmospheric pressure is nowadays frequently applied in industry, chemical analysis, surgery… For a further development of laser ablation based technologies, it is necessary to better understand the laser – matter interaction. During the impact of a laser pulse on the surface of the treated material, a plasma plume forms above the target surface. This plume contains particles (electrons, ions, atoms) of ablated matter, as well as of ambient gas, if present. During the laser pulse, this plume absorbs a large amount of the laser beam energy, thus reducing the quantity of the laser radiation arriving to the target surface. Dimensions, as well as parameters of this plasma plume evolve very quickly in time. Study of the plasma plume’s dynamics and parameters is very important, since they influence all the physical processes occurring at the surface of the treated material. In this work, we have investigated the expansion of the plasma plume formed during the laser ablation of metallic targets (Al, Ti, Fe) by a Nd:YAG laser beam (wavelength 1064 nm, pulse duration 5.1 ns and irradiance of the order of GW/cm2) in the air at atmospheric pressure using fast imaging technique. The obtained results show that laser ablation plume has a certain structure: two regions have been distinguished – the core and the periphery of the plume. Dynamics of these two plume regions has been studied and expansion velocities have been determined. In addition, we have examined the influence of the laser irradiance, as well as of the target composition on the plume dynamics. On the other hand, we have developed numerical models in COMSOL Multiphysics in order to simulate laser ablation process. A thermal model has been used to simulate the laser – target interaction. The results obtained from this model have been employed as boundary conditions in the hydrodynamic model, used to simulate plasma plume expansion in the ambient air. Two approaches have been proposed: microscopic and macroscopic approach. The results obtained by the simulation based on macroscopic approach give temporal evolution and spatial distribution (1D) of plume parameters: density, velocity and pressure.

Une technique d'ablation laser dite en champ proche a été développée pour l'analyse chimique d'échantillons solides à l'échelle sub-micrométrique. Cette technique combine un laser Nd:YAG nanoseconde, un microscope à force atomique AFM et un spectromètre de masse à plasma à couplage inductif (ICPMS). Afin d'améliorer la résolution spatiale de la technique d'ablation laser classique, l'effet de champ proche, consistant à amplifier l'énergie du laser très localement a été mis à profit. Cet effet est obtenu par illumination, par un faisceau laser, de la pointe conductrice de l'AFM placée à quelques nanomètres (5-30 nm) de la surface d'un échantillon. En appliquant cette technique d'ablation sur des échantillons conducteurs, l'or et le tantale, et un échantillon semi-conducteur, le silicium, une résolution latérale de 100 nm et des profondeurs de quelques nanomètres ont été obtenues. Deux codes numériques développés au laboratoire ont permis l'étude de deux phénomènes intervenant aux alentours de la pointe : l'amplification du champ électrique du laser par effet de pointe, et le chauffage induit par le laser à la surface de l'échantillon. L'influence des principaux paramètres opératoires sur ces deux phénomènes d'amplification et de chauffage a été étudiée. Une étude expérimentale multiparamétrique a été réalisée afin d'étudier l'influence des différents paramètres (fluence du laser, longueur d'onde du laser, nombre de tirs laser, distance pointe-échantillon, nature et dimensions de la pointe, nature de l'échantillon) sur l'efficacité d'ablation, sur les dimensions des cratères et sur la quantité de matière ablatée. / A near field laser ablation method was developed for chemical analysis of solid samples at sub-micrometric scale. This analytical technique combines a nanosecond laser Nd:YAG, an Atomic Force Microscope (AFM), and an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICPMS). In order to improve the spatial resolution of the laser ablation process, the near-field enhancement effect was applied by illuminating, by the laser beam, the apex of the AFM conductive sharp tip maintained at a few nanometers (5 to 30 nm) above the sample surface. The interaction between the illuminated tip and the sample surface enhances locally the incident laser energy and leads to the ablation process. By applying this technique to conducting gold and tantalum samples, and semiconducting silicon sample, a lateral resolution of 100 nm and depths of a few nanometers were demonstrated. Two home-made numerical codes have enabled the study of two phenomena occurring around the tip: the enhancement of the laser electrical field by tip effect, and the induced laser heating at the sample surface. The influence of the main operating parameters on these two phenomena, amplification and heating, was studied. An experimental multi-parametric study was carried out in order to understand the effect of different experimental parameters (laser fluence, laser wavelength, number of laser pulses, tip-to-sample distance, sample and tip nature) on the near-field laser ablation efficiency, crater dimensions and amount of ablated material.

Due to their inherent BW capacity, optical interconnect (OI) offers a means of replacement to BW limited copper as bottlenecks begin to appear within the various interconnect levels of electronics systems. Low-cost optically enabled printed circuit boards are a key milestone on many electronics roadmaps, e.g. iNEMI. Current OI solutions found in industry are based upon optical fibres and are capable of providing a suitable platform for inter-board applications especially on the backplane. However, to allow component assembly onto high BW interconnects, an integral requirement for intra-board applications, optically enabled printed circuit boards containing waveguides are essential. Major barriers to the deployment of optical printed circuit boards include the compatibility of the technique, the cost of acquiring OI and the optical power budget. The purpose of this PhD research programme is to explore suitable techniques to address these barriers, primarily by means of laser material processing using UV and IR source lasers namely 248 nm KrF Excimer, 355 nm UV Nd:YAG and 10.6 μm IR CO2. The use of these three main lasers, the trio of which dominates most PCB production assembly, provides underpinning drive for the deployment of this technology into the industry at a very low cost without the need for any additional system or system modification. It further provides trade-offs among the suitable candidates in terms of processing speed, cost and quality of waveguides that could be achieved. This thesis presents the context of the research and the underlying governing science, i.e. theoretical analysis, involving laser-matter interactions. Experimental investigation of thermal (or pyrolitic) and bond-breaking (or photolytic) nature of laser ablation was studied in relation to each of the chosen lasers with regression analysis used to explain the experimental results. Optimal parameters necessary for achieving minimum Heat Affected Zone (HAZ) and surface/wall roughness were explored, both of which are key to achieving low loss waveguides. While photochemical dominance - a function of wavelength and pulse duration - is desired in laser ablation of photopolymers, the author has been able to find out that photothermallyprocessed materials, for example at 10.6 μm, can also provide desirable waveguides. Although there are literature information detailing the effect of certain parameters such as fluence, pulse repetition rate, pulse duration and wavelength among others, in relation to the etch rate of different materials, the machining of new materials requires new data to be obtained. In fact various models are available to try to explain the laser-matter interaction in a mathematical way, but these cannot be taken universally as they are deficient to general applications. For this reason, experimental optimisation appears to be the logical way forward at this stage of the research and thus requiring material-system characterisation to be conducted for each case thereby forming an integral achievement of this research. In this work, laser ablation of a single-layer optical polymer (Truemode™) multimode waveguides were successfully demonstrated using the aforementioned chosen lasers, thus providing opportunities for rapid deployment of OI to the PCB manufacturing industry. Truemode™ was chosen as it provides a very low absorption loss value < 0.04 dB/cm at 850 nm datacom wavelength used for VSR interconnections - a key to optical power budget - and its compatibility with current PCB fabrication processes. A wet-Truemode™ formulation was used which required that optical polymer layer on an FR4 substrate be formed using spin coating and then UV-cured in a nitrogen oxygen-free chamber. Layer thickness, chiefly influenced by spinning speed and duration, was studied in order to meet the optical layer thickness requirement for multimode (typically > 9 μm) waveguides. Two alternative polymers, namely polysiloxane-based photopolymer (OE4140 and OE 4141) from Dow Corning and PMMA, were sparingly utilized at some point in the research, mainly during laser machining using UV Nd:YAG and CO2 lasers. While Excimer laser was widely considered for polymer waveguide due to its high quality potential, the successful fabrication at 10.6 μm IR and 355 nm UV wavelengths and at relatively low propagation loss at datacom wavelength of 850 nm (estimated to be < 1.5 dB/cm) were unprecedented. The author considered further reduction in the optical loss by looking at the effect of fluence, power, pulse repetition rate, speed and optical density on the achievable propagation but found no direct relationship between these parameters; it is therefore concluded that process optimisation is the best practice. In addition, a novel in-plane 45-degree coupling mirror fabrication using Excimer laser ablation was demonstrated for the first time, which was considered to be vital for communication between chips (or other suitable components) at board-level.

Magister Scientiae - MSc / The spectroscopic, SEM and Raman measurements on carbon nanotubes under the exact conditions of which OES analysis were made showed that at a pressure of 400 Torr and a flow rate of 200 sccm, the quality and quantity of single-walled carbon nanotubes was the highest. / South Africa

A la fin de la vie d’une cellule, différentes forces mécaniques permettent la séparation des chromosomes. Nos données préliminaires suggèrent l’existence d’un autre mécanisme provenant du centre du fuseau mitotique, non décrit dans l’embryon une cellule de C. elegans qui permettrait la séparation des chromosomes. Dans cette cellule, les microtubules kinétochoriens n’appliquent aucune force mécaniques sur les chromosomes durant l’anaphase. Il a été décrit que les chromosomes sont séparés grâce au déplacement des centrosomes via les forces de traction corticales. A l’aide de la microchirurgie laser dans les embryons une cellule de C. elegans, j’ai montré qu’en détruisant physiquement un ou deux centrosomes, les chromosomes continuent de se séparer, révélant l’existence d’une force de propulsion interne au fuseau mitotique (Nahaboo et al., 2015). En combinant la destruction de centrosomes et l’inactivation génétique, nous avons caractérisé les rôles de gènes favorisant ou freinant cette force de propulsion. J’ai observé que la kinésine-5, BMK-1, et le crosslinker MAP-65/SPD-1 freinent cette force de propulsion. Alors que dans d’autres espèces ces protéines favorisent la séparation des chromosomes. Nous avons remarqué que les protéines RanGTP et CLASP, favorisant de la nucléation et la polymérisation des microtubules, aident cette force de propulsion. Ces propriétés suggèrent que la polymérisation des microtubules au centre du fuseau est requise pour permettre la séparation des chromosomes durant la mitose.Par manque d’outils adéquats afin d’altérer la dynamique des microtubules, nous avons collaboré avec l’équipe de biochimistes du Dr. D. Trauner à Munich en Allemagne. Ils ont synthétisé la molécule photoactivable, Photostatin (PST), permettant la dépolymérisation des microtubules en quelques secondes (Borowiak et al., 2015). Entre 390 - 430 nm, PST est activé, dépolymérisant les microtubules, alors qu’entre 500 – 530 nm, PST est inactivé, permettant la polymérisation normale des microtubules. J’ai mesuré que la croissance des microtubules avec PST actif est absente dans des cellules Hela. J’ai montré que le cycle cellulaire dans l’embryon de C. elegans est arrêté localement en présence de PST actif. Nous avons alors montré que PST contrôle optiquement la dynamique des microtubules, in vitro, in cellulo et in vivo, de manière non invasive, rapide, locale et réversible. En résume, j’ai identifié une nouvelle force permettant la séparation des chromosomes à l’aide des approches moléculaires et biophysiques, et j’ai aidé à la caractérisation PST, un antimicrotubule photoactivable de manière locale et réversible. / In mitosis, different mechanical forces are involved in chromosome segregation. In C. elegans one-cell embryos, preliminary data suggest that an unknown mechanism, coming from inside the mitotic spindle, could influence chromosome separation. In those cells, it has been showed that kinetochore microtubule activity is absent. Thanks to external pulling forces, centrosome separation drives chromosome segregation. By using microsurgery inside the one-cell C. elegans embryos, we have shown that destroying one or two centrosomes did not prevent chromosome separation, revealing the existence of an outward pushing force (Nahaboo et al., 2015). By combining gene inactivation and centrosome destruction, we showed that the kinesin-5 and the crosslinker SPD-1 act as a brake on this pushing force, whereas they enhance chromosome segregation in other species. Moreover, we identified a novel role for the two microtubule-growth and nucleation agents, RanGTP and CLASP, in the establishment of the centrosome-independent force during anaphase. Their involvement raises the interesting possibility that microtubule polymerization of midzone microtubules is required to sustain chromosome segregation during mitosis. Then, we aim to reversibility affect microtubule dynamics in the central spindle. Because of the lack of adequate tools, we have collaborated with biochemists from Dr. D. Trauner lab, in Munich, Germany, who are specialized in photoactivable drugs. They have synthetized a photoswitable drug, Photostatin (PST), which can depolymerize microtubules in few seconds in an on/off manner (Borowiak et al., 2015). Under blue light (390 - 430 nm), PST is activated leading to microtubule depolymerization, whereas under green light (500 - 530 nm), PST is activated which does not affect microtubule dynamics. I measured that microtubule growing is absent in presence of activated PST in Hela cells. I also showed that cell cycle can be stopped thank to activated PST in multiple cell C. elegans embryos. We have shown that PST can control microtubule dynamics thanks to visible light in vitro, in cellulo and in vivo, as an on/off switch, in a non-invasive, local and reversible manner.

Die Analyse von organischen Polymeren mittels Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma nach Laserablation unterliegt starken Matrixeffekten. Mögliche Korrekturmodelle sollten basierend auf der tatsächlich ablatierten Elementmasse sowie der Signalintensität des Kohlenstoffisotops C-13 (13C-Korrektur) entworfen werden. Damit die 13C-Korrektur erfolgreich verlaufen kann, ist ein direkter Zusammenhang zwischen ablatiertem Kohlenstoff und gemessenem 13C-ICP-MS Signal erforderlich. Dies wurde überprüft, indem unter Anwendung der konfokalen Mikroskopie das Ablationskratervolumen bestimmt und der ablatierte Kohlenstoff berechnet wurde. Dieser Zusammenhang konnte sowohl für undotierte, wie auch für elementdotierte Polymere und die Verwendung verschiedener Ablationsgase (Helium, Argon und Sauerstoff) ermittelt werden. Eigens hergestellte polymere elementdotierte Standardmaterialien wurden hinsichtlich der Matrixeffekte charakterisiert. Als größter Einflussfaktor stellte sich die unterschiedliche Ablationsrate bei der Ablation verschiedener Polymere heraus. Unter Anwendung der tatsächlich ablatierten Elementmasse sowie unter Anwendung der 13C-Korrektur konnte die Matrixabhängigkeit deutlich verringert werden.

Ce travail concerne la réalisation et la caractérisation de dispositifs hyperfréquences agiles en fréquence à base du matériau ferroélectrique KTa1-xNbxO3 (KTN) déposé en couche mince. Doté d'une permittivité diélectrique élevée (er = 700 à 10 GHz et Ebias = 0 kV/cm), KTN est un candidat prometteur pour la reconfigurabilité et la miniaturisation des dispositifs hyperfréquences. Ses pertes restent néanmoins conséquentes (tanδr = 0,3 à 10 GHz et Ebias = 0 kV/cm) et sont en partie à l'origine des pertes globales des dispositifs hyperfréquences réalisés. Afin de limiter ces pertes, une double approche a été engagée : (1) réduction des pertes diélectriques par le dopage du matériau KTN par un oxyde à faibles pertes : MgO à 3% et 6% en moles et (2) réduction des pertes globales par le confinement du matériau KTN dopé dans les zones actives des dispositifs hyperfréquences. Les couches minces de KTN non dopé et dopé d'épaisseur ~ 600 nm ont été déposées sur substrats de saphir orienté R par ablation laser pulsé (PLD). Deux compositions différentes (KTa0,5Nb0,5O3 et KTa0,65Nb0,35O3) ont été sélectionnées pour cette étude. Des dispositifs coplanaires imprimés sur les films ferroélectriques ont été réalisés et caractérisés dans la bande d'intérêt 1 GHz-20 GHz. Le dopage à 6% assure le meilleur compromis pertes / agilité avec une réduction significative des pertes globales de 0,73 à 0,20 (facteur ~ 4) du dispositif résonant imprimé sur KTa0,5Nb0,5O3 après son confinement par microgravure laser. Une agilité en fréquence de 8% est obtenue sous Ebias ≈ 75 kV/cm. L'étude d'une antenne à ondes de fuite reconfigurable en bande Ku a ensuite été mise en oeuvre. Les couches minces de KTa0,5Nb0,5O3 d'épaisseur ~ 600 nm ont été déposées par PLD sur substrats de saphir R, puis le matériau ferroélectrique a été localisé par microgravure laser dans les 6 zones actives de l'antenne (constituée de 6 tronçons). L’évolution du coefficient de réflexion sous Ebias ≈ 85 kV/cm montre une agilité en fréquence égale à 2%. Un gain maximal de 6,7 dBi a été mesuré à f = 17 GHz et Ebias = 0 kV/cm, conformément aux résultats de simulation. / This work deals with the fabrication and characterization of frequency tunable microwave devices based on ferroelectric KTa1-xNbxO3 (KTN) thin films. KTN material is a promising candidate for the tunability and miniaturization of microwave devices, due to its high dielectric permittivity (er= 700 at 10 GHz and Ebias= 0 kV/cm). Nevertheless its intrinsic loss (tanδr= 0.3 at 10 GHz and Ebias= 0 kV/cm) strongly impacts the global loss of the tunable microwave devices. To reduce this, a twofold solution has been investigated: (1) reduction of the loss tangent by doping KTN material with a low loss oxide, namely MgO (3% and 6% in mol.) and (2) confinement of the doped KTN film in efficient regions of the microwave devices and removal in noncritical areas by laser microetching. The ~ 600 nm-thick undoped and doped KTN films have been grown by Pulsed Laser Deposition (PLD) on R-plane sapphire substrates. Two different compositions (KTa0.5Nb0.5O3 and KTa0.65Nb0.35O3) were specifically selected for this study. Microwave measurements have been performed on KTN-based coplanar devices from 1 GHz to 20 GHz. Stub resonator printed on confined 6% doped KTa0.5Nb0.5O3 film exhibits the best loss/agility trade-off with a significant global loss reduction from 0.73 to 0.20 (factor ~ 4) with a 8% frequency tunability under Ebias≈ 75 kV/cm.Thereafter, the study of a reconfigurable Ku-band leaky-wave antenna has been carried out. A ~600 nm-thick KTa0.5Nb0.5O3 film was deposited by PLD on R-plane sapphire substrate. The ferroelectric material was localized by laser microetching on 6 specific areas of the antenna (consisted of 6 sections). The variation of the reflection coefficient under biasing (Ebias≈ 85 kV/cm) demonstrates a frequency tunability of 2%. A gain equal to 6.7 dBi has been measured at f= 17 GHz and Ebias= 0 kV/cm, in accordance with the numerical results.

Perovskite based artificial superlattices has recently been extensively investigated due to the immense promise in various device applications. The major applications include non-volatile random access memories, microwave devices, phase shifters voltage tunable capacitor applications etc. In this thesis we have taken up the investigation of two different types of symmetric superlattices, viz. BaZrO3/BaTiO3 and SrTiO3/BaZrO3, with possible applicability to voltage tunable devices. Chapter 1 deals with the introduction to the perovskite based functional oxides. Their various applications and the specific requirements for voltage tunable device applications has also been discussed in detail. The basic properties of BaTiO3 and SrTiO3, which are well documented in the literature, have been reviewed. The fundamental physics of interfacial interactions that influence the properties of superlattices is also discussed using existing models. The reason behind the choice of constructing artificial superlattices of BaZrO3/BaTiO3 and SrTiO3/BaZrO3 and the motivation behind this thesis is outlined. Chapter 2 gives a brief description of the basic characterization techniques that has been employed for studying the thin films. These include pulsed laser deposition of oxide thin films, structural characterization using X-Ray Diffraction and Atomic Force Microscope and electrical characterization of thin film metal-insulator-metal structures. The basic principle behind the techniques has also been included in various sections of this chapter. Chapter 3 introduces the reader to basic properties of the less studied perovskite material BaZrO3, one of the parent components of Ba(Zr,Ti)O3 based ceramics for high frequency applications. BaZrO3 is the common material in both the types of superlattices studied in this thesis. Initially the growth of polycrystalline BaZrO3 on (111)Pt/TiO2/SiO2/Si has been elaborated in this chapter. After characterizing the crystalline quality of the films and optimizing the growth conditions, epitaxial BaZrO3 films has been grown on (001) SrTiO3 substates. Dielectric properties of epitaxial BaZrO3 film have been measured as a function of temperature and frequencies. The electric field tunability of BaZrO3 films has been calculated from capacitance-voltage data for comparison with superlattice structures. Chapter 4 deals with the basic considerations involving growth of artificial superlattices and multilayers using pulsed laser ablation technique. The fundamental differences between formation of multilayers and superlattices have also been discussed, and the basic considerations for optimizing growth parameters are analyzed in this chapter. X-ray θ-2θ and φ-scans have been performed to investigate crystal quality of superlattices. The growth rates calculated from the satellite reflections in X-ray θ-2θ scans indicate fair degree of control over the growth and φ-scans confirms epitaxial cube-on cube growth of both types of superlattices. Atomic Force microscopy has been used to hcaracterize the film quality and surface morphology of superlattice structures and it has been found that the films have a very smooth surface with rms roughness of the order of few nanometres. Chapter5 deals with the detailed electrical characterization of both types of superlattices structures. Dielectric response showed nearly temperature invariance for both types of superlattices. Polarization measurements show that the heterostructures are in paraelectric state. Even for paraelectric/ferroelectric BaZrO3/BaTiO3 superlattices, stress induced stabilization of the paraelectric state is exhibited in low period superlattices. Paraelectric/paraelectric-SrTiO3/BaZrO3 superlattices exhibited a tunability of ~20% at intermediate modulation periods and an extremely stable dissipation factor with respect to temperature which is very attractive for device application point of view. A maximum tunability of ~40% has been observed for lowest period BaZrO3/BaTiO3 superlattice. Relatively high Quality Factors has been observed for both type of superlattices and their dependence on the modulation periods has been analyzed. Dielectric relaxation data showed that Maxwell-Wanger type of behaviour is exhibited but the presence of a conductance component G had to be realized in the equivalent circuit representation, which originates from the observation of a square law dependence of the alternating current on the frequency. Finally DC electrical characteristics were investigated as a function of temperature to determine the type of conduction mechanism that is involoved. The data has been analyzed using existing theories of high field conduction in thin dielectric films and it has been found that at different temperature ranges, the conduction mechanism varied from bulk limited Poole-Frenkel to Space Charge limited conduction. The activation energy calculation indicate that the physical processes responsible for dielectric relaxation and dc conduction are identical.