Une étude des effets de couplage d'échange et de magnétorésistance dans des systèmes bicouches ferrimagnétique/ ferrimagnétique amorphes a été réalisée grâce aux résultats obtenus à l'aide de diverses techniques complémentaires : mesures d'aimantation, de susceptibilité, de magnétorésistance, réflectométrie de neutrons polarisés et dichroïsme magnétique des rayons X. Tout comme dans le système FeF2/Fe, des propriétés de décalage d'échange inhabituelles ont été observées dans les bicouches Gd40Fe60/Tb12Fe88. Elles ont pu être expliquées, à basse température et des faibles champs de refroidissement, à l'aide d'un modèle de chaîne de spins 1D considérant le gel de la configuration magnétique dans la couche de TbFe lors du refroidissement sous champ. Dans ce cadre nous avons pu expliquer les évolutions du champ d'échange et du décalage en aimantation en fonction de la valeur du champ de refroidissement. En revanche, afin d'expliquer les évolutions de la coercitivité et les effets de traînage magnétique, il nous a fallu tenir compte de l'influence de la température et du renversement du GdFe sur l'évolution des configurations magnétiques au sein du TbFe. Le rôle de domaines latéraux a également été étudié. La présence d'une paroi d'interface bien contrôlée dans les systèmes GdFe/TbFe ou GdFe/GdFe a, de plus, permis d'étudier les effets de magnétorésistance induits par une paroi magnétique d'interface. Si les variations de résistance observées à bas champ s'interprètent en terme d'anisotropie de magnétorésistance, les phénomènes de magnétorésistance intrinsèques aux matériaux amorphes doivent être pris en compte pour expliquer nos observations pour des forts champs magnétiques. Ces résultats ont été finalement utilisés pour comprendre les mesures de magnétorésistance obtenues sur des vannes de spins GdFe/GdFe/Cu/GdFe.

Cette étude présente les résultats de caractérisations structurales et morphologiques de multicouches discontinues métal-oxyde, composés d'un empilement de plans de nanoparticules métalliques noyées dans une matrice d'oxyde. L'amplitude de la magnétorésistance tunnel dans ces matériaux dépend de l'organisation du métal à plusieurs échelles. De multiples techniques ont été utilisées afin de sonder l'ordre local structural et magnétique (XAFS, Spectroscopie Mössbauer), l'ordre à moyenne distance (Réflectivité X, GISAXS, MET) et l'ordre à grande distance (Diffraction X). Les données issues de ces différentes techniques sont comparées et confrontées à celles des mesures magnétiques. Trois systèmes ont été étudiés, Fe/ZrO2, Co/ZrO2 et Co/SiO2, en faisant varier l'épaisseur de la couche nominale de métal déposé eM, la température du recuit TR effectué après l'élaboration par pulvérisation cathodique et la vitesse de dépôt des couches. Les ions paramagnétiques mis en évidence en périphérie des nanoparticules ne font pas partie intégrante d'une couche d'un oxyde connu du métal déposé. Ils sont « morts » du point de vue des propriétés magnétiques et électriques. La fraction d'atomes « morts » est plus importante avec la zircone qu'avec la silice et peut être diminuée en augmentant TR, eM et/ou en diminuant la vitesse de dépôt. La valeur de eM correspondant au seuil de percolation dans le plan des couches est déplacée vers les grandes valeurs de eM en augmentant TR. Le mouillage métal-oxyde est important avec la zircone (comparée à la silice) et avec le fer (comparée au cobalt). La morphologie des couches granulaires qui en résulte, notamment la taille des particules, détermine le comportement superparamagnétique ou ferromagnétique des particules. Pour chaque système métal-oxyde, un diagramme schématique (TR, eM) résume les propriétés magnétiques, structurales et morphologiques observées.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin à base de semiconducteurs. L'intégration de matériaux magnétiques dans des structures semiconductrices représentent actuellement un axe de recherche en plein essor qui amènera probablement une nouvelle génération de composants électroniques où seront associés deux degrés de liberté : la charge et le spin des porteurs. La finalité de ce travail est la détection électrique d'une injection de spins dans un puits de GaAs. Pour cela nous avons préalablement étudié des couches minces du semiconducteur ferromagnétique GaAs substitué Mn et des jonctions tunnel magnétiques GaMnAs/AlAs/GaMnAs. L'étude des couches minces de GaMnAs a permis de mettre en évidence la corrélation entre les propriétés magnétiques et électroniques et les jonctions tunnel ont permis de quantifier la polarisation en spin des porteurs du GaMnAs. Nous avons ensuite élaboré des structures où deux électrodes de GaMnAs sont séparées par un puits quantique AlAs/GaAs/AlAs. La première électrode permet de polariser les porteurs et la seconde d'analyser le courant polarisé en spin injecté dans le puits. La magnétorésistance (MR) dans ces structures est attribuée à un transport tunnel séquentiel avec accumulation de spins dans le puits de GaAs. La forte MR obtenue (40%) est la signature de la conservation du spin dans le puits et traduit ainsi que le temps de vie du spin des trous est supérieur au temps de séjour des trous dans ce puits. Les études de la MR en fonction de ces deux temps caractéristiques ont permis d'établir les conditions nécessaires afin de détecter une injection de spins dans un puits quantique semiconducteur. Ces expériences entièrement électriques nous ont aussi permis d'estimer le temps de vie du spin des trous dans ces puits de GaAs à la centaine de picosecondes à 4.2K.

Ce travail de thèse est constitué de deux parties distinctes. La première consiste en l'étude de la magnétorésistance de parois de domaines magnétiques dans des nanofils de cobalt monocristallin. Ces nanofils ont été fabriqués par lithographie électronique et gravure à partir de films minces épitaxiés, à forte anisotropie uniaxiale planaire. Le confinement de l'aimantation qui résulte de la nanos-tructuration affecte fortement sa distribution. Différentes configurations micromagnétiques sont induites dans ces fils selon qu'ils sont découpés parallèlement ou perpendiculairement à l'axe de facile aimantation cristallin. Ces configurations dépendent fortement de l'histoire magnétique. Le retournement de l'aimantation dans ces fils a été étudié en détail, à l'aide de mesures de magnétotransport. Celles ci ont été interprétées dans le cadre des modèles décrivant la magnétorésistance de parois et les effets galvanomagnétiques classiques des matériaux ferromagné-tiques. Il ressort de cette étude que la contribution magnétorésistive des parois est positive et augmente à basse température. La seconde partie de ce travail est consacrée à l'étude du magnétisme des réseaux de plots circulaires de cobalt polycristallin, fabriqués par nano-impression. Dans les réseaux les moins denses, où les interactions magnétosta-tiques entre plots sont négligeables, différents mécanismes de renversement de l'aimantation ont été identifiés en fonction des dimensions des objets: une rotation cohérente de l'aimantation ou la formation d'un, voire de deux vortex. Dans les réseaux les plus denses, les interactions magnétostatiques sont à l'origine de phénomènes de renversement collectif de l'aimantation. Elles entraînent la formation, par un processus d'avalanche, de chaînes de plots monodomaines ou contenant des vortex de sens de circulation identique. Elles imposent au processus de renversement, et notamment au champ de nucléation, d'être anisotrope, de symétrie identique à celle de la maille du réseau.

L'effet tunnel dépendant du spin dans une structure métal ferromagnétique/isolant/métal ferromagnétique, composant une jonction tunnel magnétique, connaît ces dernières années un regain d'intérêt avec sa mise en évidence à température ambiante et avec ses multiples applications potentielles pour l'élaboration de nouveaux dispositifs micro-électroniques (mémoires non-volatiles, capteurs magnéto-résistifs, etc). Dans une jonction tunnel magnétique la transmission par effet tunnel des électrons, polarisés par les électrodes magnétiques, dépend de l'orientation relative des aimantations des électrodes et des caractéristiques de la barrière isolante. La résistance d'une jonction tunnel magnétique varie de plus de 20% en modifiant de manière sélective l'orientation de l'aimantation d'une électrode par rapport à l'autre, en appliquant un champ. Pour cela, une architecture appelée douce-dure est utilisée. Elle repose sur l'association d'une couche magnétique dure et d'une couche magnétique douce comme électrodes magnétiques de la jonction tunnel. Un aspect novateur de ce travail de thèse repose sur l'utilisation d'un système antiferromagnétique artificiel comme système magnétique dur. Ce système, constitué de deux couches magnétiques (Co et/ou CoFe) d'épaisseurs différentes, ayant leurs aimantations arrangées antiparallèles par couplage à travers une couche non magnétique (Ru), permet d'obtenir une grande rigidité magnétique, ajustable, avec une grande stabilité thermique (>300°C). Ce travail de thèse nous a amené à élaborer des jonctions tunnel magnétiques de taille micronique et à étudier la corrélation entre leurs propriétés magnétiques et leurs propriétés de transport polarisé en spin à des échelles macroscopiques et microscopiques. Il s'est avéré que, grâce à la sensibilité extrême du transport par effet tunnel polarisé en spin aux fluctuations de l'aimantation aux interfaces métal ferromagnétique/isolant, les jonctions magnétorésistives sont des systèmes idéaux pour étudier sélectivement l'évolution de la structure en domaines des couches ferromagnétiques en contact avec la couche isolante en fonction du champ magnétique appliqué.

La course à la miniaturisation des transistors MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) implique l'utilisation de nouvelles technologies d'amélioration des performances. Notamment, l'ingénierie de contrainte mécanique est aujourd'hui devenue une étape incontournable. Dans ce contexte, les objectifs de ce travail sont de modéliser les dispositifs des prochains nœuds technologiques et de quantifier l'impact de la contrainte mécanique sur le transport. La mobilité est le facteur de mérite principalement exploité pour quantifier les performances d'une technologie et l'un des paramètres clés des simulateurs commerciaux. Dans ce cadre, le concept de mobilité effective et de mobilité de magnétorésistance dans les dispositifs courts est analysé et le rôle prépondérant des effets non stationnaires dans leur extraction est clairement identifié et quantifié par des modèles avancés. Ensuite, grâce à la version « Full Band » du simulateur particulaire Monte Carlo MONACO développée durant cette thèse, l'influence de la contrainte sur la structure de bandes et ses répercussions sur le transport dans les transistors courts sont étudiées. En bande de valence, le régime balistique est loin d'être atteint et la mobilité reste représentative des performances. Enfin, l'impact de la contrainte uniaxiale sur la mobilité des trous en couche d'inversion est étudiée par le biais d'expériences de flexion mécanique. Grâce à l'outil de calcul de mobilité Kubo-Greenwood (couplé à une résolution autocohérente des équations de k.p Schrödinger à 6 bandes et de Poisson) développé dans cette thèse, les tendances observées sont expliquées par les forts couplages existants entre les effets de contrainte et de confinement des trous.

Afin de satisfaire aux exigences de plus en plus contraignantes imposées par la Roadmap ITRS, l'industrie microélectronique doit aujourd'hui envisager un certain nombre de révolutions dans ses procédés de fabrication des composants. En effet, la seule miniaturisation des dimensions du transistor à effet de champ Métal-Oxyde-Semiconducteur (MOSFET) ne suffit plus à améliorer les performances des dispositifs électroniques et de nouvelles approches doivent être imaginées. Parmi les solutions envisagées, l'une des plus prometteuses consiste à remplacer l'isolant de grille «historique» en oxyde de silicium (SiO2) et la grille en polysilicium par un couple constitué d'une grille métallique et d'un matériau isolant possédant une plus forte permittivité diélectrique. Ce travail présente ainsi les effets du couple grille TiN/dioxyde d'hafnium HfO2 sur les performances électriques d'un MOSFET en étudiant un paramètre caractéristique du transport électrique dans le canal de conduction, à savoir la mobilité des porteurs libres en régime d'inversion. Pour ce faire, une étude théorique des différentes interactions limitant la mobilité des porteurs dans ces nouvelles architectures a d'une part été réalisée. D'autre part, des techniques expérimentales innovantes d'extraction de la mobilité ont été développées (magnétorésistance, split C-V pulsé) pour caractériser finement nos dispositifs. La conjonction de ces deux approches a ainsi permis de déterminer avec précision les interactions prédominantes dans la réduction de mobilité des porteurs liées à l'utilisation d'une grille métallique TiN et d'un oxyde de grille de forte permittivité HfO2.

Ce travail a été consacré au développement du procédé de chauffage micro-ondes en vue de l'élaboration de céramiques à propriétés électriques particulières. L'objectif, est de valoriser ce procédé de chauffage à travers l'élaboration de céramiques fonctionnelles. Le manuscrit présente des travaux pouvant être découpe en deux parties :<br />- Une première partie aborde l'élaboration par chauffage micro-ondes d'oxydes réfractaires dans une cavité résonante rectangulaire TE102. La synthèse par chauffage micro-ondes direct de la phase La0.8Sr0.2MnO3 (LSMO) envisagée initialement n'est pas satisfaisante, un chauffage indirect est alors mis en place. Ce nouveau procédé a permis de synthétiser et de fritter avec succès en mode statique et en continu de longs barreaux de LSMO sans altérer les propriétés remarquables du matériau à magnétorésistance colossale. L'utilisation de ce procédé pour fritter également un matériau isolant BaZrO3 a conduit à une réussite. <br />- Une seconde partie est consacrée à la texturation de YBa2Cu3OΔ par procédé micro-ondes de fusion de zone. L'objectif est d'améliorer les propriétés supraconductrices en contrôlant l'orientation cristallographique. Ainsi deux procédés ont été développés. Le premier qui consiste à substituer partiellement l'Yttrium par du Calcium a permis une réelle optimisation de l'orientation et ouvre de nouvelles perspectives. Le second combine la fusion de zone avec la croissance assistée par germe. Les échantillons élaborés par cette méthode possèdent des propriétés supraconductrices satisfaisantes. Ils ont été caractérisés par des méthodes d'analyses de texture comme : l'EBSD, DRX, neutron.

La fabrication d'inducteurs haute performance et basse consommation est nécessaire au développement de la téléphonie mobile. Ceci requiert le dépôt en couche mince d'un matériau magnétique doux présentant une perméabilité élevée et une fréquence de résonance au-delà de la fréquence d'utilisation. Ces propriétés peuvent être obtenues grâce à un matériau nanostructuré constitué de particules ferromagnétiques à température ambiante, monodisperses et organisées en super-réseaux. La décomposition contrôlée de précurseurs organométalliques permet la synthèse d'un matériau constitué de nanoparticules de fer/cobalt spontanément organisées en super-cristaux millimétriques correspondant au matériau cible et totalement caractérisé grâce à des études magnétiques, structurales et en microscopie électronique. Un traitement thermique suivi d'une phase d'enrobage des particules permet l'optimisation des propriétés magnétiques et électriques du matériau. Ces super-cristaux montrent des comportements intéressants et nouveaux de magnétotransport. La légitimité du matériau en tant qu'inducteur a été démontrée par une étude RF.

Le couplage spin-orbite combiné avec des effets de brisure de la symétrie d'inversion conduit au dédoublement de niveaux d'énergie de la structure de bande réelle et complexe des matériaux massifs et des hétérostructures bidimensionnelles tels que puits quantiques et hétéro-jonctions. La première partie de ce travail calcule numériquement les trois contributions au splitting de spin : BIA, SIA et IIA en se basant sur le modèle k.p de Kane étendu à 14 bandes et sur les nouveaux paramètres obtenus par la méthode des liaisons fortes. Plusieurs résultats numériques sont confrontés aux résultats expérimentaux anciens. Nous avons obtenu, pour la première fois, une description quantitative satisfaisante des relations de dispersion des sousbandes de valence d'un puits quantique GaAs/(AlGa)As (mesurées par le groupe de L. Eaves par effet tunnel résonnant en présence d'un champ magnétique dans le plan.) et de leur splitting de spin (mesuré il y a déjà longtemps par H. Stormer et al.). Ces résultats semblent indiquer que le terme IIA est effectivement petit dans ce cas. Nous avons également calculé les spectres d'absorption optique de puits quantiques et obtenu, avec la nouvelle paramétrisation, un accord remarquablement bon avec des résultats expérimentaux d'O. Krebs sur l'effet Pockels confiné quantiquement.<br /><br />Nous examinons ensuite la structure de bande complexe du GaAs et montrons par une représentation complexe et non purement imaginaire du vecteur d'onde que les états évanescents existent pour toutes les directions de la zone de Brillouin. Cette existence se manifeste par des boucles reliant les bandes de conduction et les bandes de valence. Ce résultat est une contribution originale sur le concept de filtre de spin.<br /><br />La deuxième partie de ce travail porte sur l'étude expérimentale du rôle de couplage spin-orbite dans des fils quantiques semi-balistiques obtenus par gravure à partir d'une structure à gaz bidimensionnel d'électrons. Nous espérons observer une transition entre le régime de localisation faible et celui, opposé, d'antilocalisation faible. Les pics observés expérimentalement lors des mesures de la magnétorésistance ont des propriétés qui sont bien expliquées en termes de la localisation faible. Ces mesures nous ont permis d'extraire des différents temps caractéristiques des échantillons et d'observer les changements de régime fort champ magnétique/bas champ magnétique liés à la nature quasi-balistique des échantillons.