Le dioxyde de vanadium (VO₂) est un matériau thermochrome de la famille des oxydes de métaux de transition (OMT). Sa température de transition (Tt), de 68 degrés Celsius, est parmi tous les OMT la plus proche de la température ambiante. Le VO₂ est métallique au-dessus de Tt et semi-conducteur en dessous de celle-ci. Le vanadium est un métal de transition avec plusieurs degrés d'oxydation. Lors de la fabrication des couches minces de VO₂, les différents degrés d'oxydation du vanadium entrent en compétition, ce qui rend très difficile la fabrication de couches minces stœchiométriques. On étudie les couches minces de VO₂ déposées par pulvérisation cathodique réactive ac double magnétrons assistée de faisceaux d'ions oxygène/azote pour des applications en optique et photonique. On dépose des couches minces de vanadium qu'on oxyde par la suite en dioxyde de vanadium. Les films ainsi fabriqués sont étudiés par des techniques de caractérisation optique, électrique, structurale et surfacique. Les propriétés de surface et de transport dépendent fortement de la proportion d'ions réactifs d'oxygène dans le faisceau ionique et du taux de conversion du V en VO₂. Le bombardement ionique diminue la température de transition et la résistance électrique des couches minces de VO2. Il mène à la formation de la phase monoclinique M2 du VO₂. Celle-ci est stabilisée par l'oxydation du V en VO₂ par la méthode "Rapid Thermal Annealing and Cooling" (RTAC). Ce processus permet un contrôle fin et aisé de la microstructure et de la texture des couches minces menant à de nouvelles propriétés optiques et électriques des couches minces de VO₂. Les applications du VO₂ proposées dans cette thèse vont des revêtements intelligents actifs et passifs aux lentilles minces nanométriques planes en passant par des dispositifs en couches minces thermo-électrochromes.

Les oxydes de cuivre (cuprates) forment une famille de matériaux pouvant, pour certains dopages, présenter de la supraconductivité à haute température de transition (Haut-T[indice inférieur c]). Cette famille est notable en raison des températures de transition supraconductrice record qui y sont observées.Les efforts pour y augmenter la température critique continuent. Pour atteindre cet objectif, on peut tenter d'affecter ou d'induire de la supraconductivité dans des hétérostructure [i.e. hétérostructures] de cuprates. Il a déjà été observé que, lorsque l'on met en contact deux cuprates non-supraconducteurs par le fait de leur dopage, il était possible de faire apparaître de la supraconductivité à l'interface entre ceux-ci. De telles observations ont été faites pour des multicouches de cuprates dopés aux trous et des multicouches de cuprates dopés aux électrons.Les mesures montrent qu'un transfert de charges à l'interface des couches serait à l'origine du phénomène. Dans le projet présenté dans ce mémoire, nous présentons une étude de bicouches de cuprates. Nos résultats montrent la production de supraconductivité dans des hétérostructures composées à la fois de cuprates dopés aux trous et aux électrons, ce qui n'avait pas été observé précédemment. Nos résultats semblent indiquer la présence d'un transfert de charges comparable à celui apparaissant dans des jonctions p-n de semi-conducteurs. Un transfert de charges a déjà été observé dans des multicouches de cuprates dopés aux trous, mais dans le cas présenté ici, les effets semblent se produire sur des échelles de longueur significativement plus grandes. Cette échelle anormalement élevée pourrait être expliquée par la contribution de l'effet de proximité géant déjà observé dans d'autres circonstances.Les cuprates dopés aux trous et aux électrons utilisés sont respectivement le La[indice inférieur 2-x]Sr[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] (avec un sur-dopage de x = 0,28) et le Pr[indice inférieur 2-x]Ce[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] (avec un sous-dopage x = 0,05). Ces deux matériaux sont, lorsqu'isolés (déposés séparément), non-supraconducteurs, et, respectivement, un métal normal et un isolant antiferromagnétique. L'ensemble des manipulations effectuées durant ce projet et leurs résultats est présenté dans ce mémoire. Tout d'abord, pour bien illustrer le domaine étudié, un survol théorique de base de la supraconductivité sera présenté dans le chapitre 1, suivi de la description des cuprates utilisés, d'un résumé des découvertes précédentes dans le domaine des hétérostructures de cuprates et d'une description des phénomènes pouvant se produire à l'interface d'une bicouche. Par la suite, le procédé exact de fabrication des échantillons et les différentes méthodes de mesure seront décrits dans le chapitre 2. Finalement, le chapitre 3 présentera et analysera les résultats des différentes mesures effectuées sur nos échantillons, soient la diffraction aux rayons-X, les mesures de résistivité en fonction de la température et du champ magnétique et la mesure de la caractéristique I-V en fonction de la température.Les mesures de résistivité ont été faites pour des épaisseurs variables des couches de La[indice inférieur 2-x]Sr[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] et de Pr[indice inférieur 2-x]Ce[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] et l'effet de l'épaisseur de ces couches est également présenté et analysé en détails.

Le nitrure de silicium est un matériau très utilisé en microélectronique et en optique intégrée du à l'excellente homogénéité et reproductibilité de son épaisseur et de son indice de réfraction. De plus, l'indice de réfraction élevé du nitrure de silicium est particulièrement intéressant pour les applications en biophotonique. En effet, ces dernières années les biocapteurs à champ évanescent ont démontré une augmentation de la sensibilité avec l'utilisation de guides d'onde plans à haut indice de réfraction. La sensibilité pourrait être encore améliorée en intégrant sur un même substrat l'ensemble des composants passifs et actifs (Lab-on-a-chip) qui composent le biocapteur à champ évanescent. L'intégration des différents composants optiques passe par la fabrication d'un guide d'onde plan dans le visible qui soit réalisé avec des procédés à basse température, faible épaisseur, faible perte et haut indice de réfraction. Même si les couches d'oxyde métallique (TiO[indice inférieur 2], Ta[indice inférieur 2]O[indice inférieur 5] par exemple), généralement utilisées pour ce type d'application, permettent d'obtenir de bonnes propriétés optiques, elles ne permettent pas d'atteindre la qualité des couches en nitrure de silicium notamment en termes de rugosité de surface pour de faibles épaisseurs. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, les paramètres du guide d'onde sont optimisés pour une application utilisant des fluorophores à points quantiques émettant à 650 nm et excités avec une source laser à 532 nm. Une épaisseur de 80 nm est déterminée comme optimale pour l'excitation, la collection de la fluorescence et le couplage fibre-guide.Le développement d'un guide d'onde capable d'atteindre cette épaisseur et conservant des bonnes propriétés optiques est nécessaire. À notre connaissance aucun travail n'a été réalisé pour optimiser les pertes dans le visible des guides de nitrure de silicium, en fonction des paramètres du procédé PECVD. Dans ce travail de thèse, des guides d'onde sont fabriqués pour la première fois en utilisant le nitrure déposé par LF-PECVD (basse fréquence), et leurs performances sont comparées aux guides déposés par HF-PECVD (haute fréquence). Nous démontrons, en variant le débit des précurseurs, que l'absorption et les pertes en propagation des couches de nitrure sont plus faibles lorsque les dépôts sont faits par la technique LF-PECVD par rapport à la technique HF-PECVD. Cette différence s'explique probablement par le fait que le bombardement ionique, beaucoup plus important à basse fréquence qu'à haute fréquence, réduit la présence d'amas de silicium dans la couche, responsables de l'absorption dans le visible en plus de densifier les couches par enlèvement de l'hydrogène qui s'incorpore durant la déposition PECVD. Nous démontrons également que pour la technique LF-PECVD, les propriétés optiques des couches sont améliorées en utilisant une basse puissance pour la source r-f du plasma. En effet à haute puissance, le bombardement, très énergétique crée des défauts dans la couche et favorise la rupture des liaisons N-H plutôt que des liaisons Si-H. Finalement des guides d'onde plans de nitrure de silicium, avec une épaisseur de 80 nm et un indice de réfraction de 2, sont fabriqués et caractérisés. Des pertes de 0.1 dB/cm à 633 nm et 1.05 dB/cm à 532 nm sont obtenues et comparées avec les performances des autres matériaux.

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

L'objectif premier de ce travail de thèse a été de mettre au point une méthode de fabrication (alternative aux méthodes existantes) d'un oxyde d'aluminium en couches minces, de façon très contrôlée et reproductible dans le but d'obtenir un oxyde homogène en épaisseur, en composition chimique et en structure atomique. Le but étant d'employer cet oxyde dans les jonctions tunnels magnétiques (MTJ) qui suscitent un très grand intérêt avec l'avènement de la Spintronique et le prix Nobel de physique décerné en 2007 à Albert Fert et Peter Grunberg pour la magnétorésistance géante GMR.<br /> <br />Cette méthode de fabrication que nous avons baptisée ALDO (Atomic Layer Deposition and Oxidation) consiste à réaliser l'oxyde couche par couche. De façon générale cette méthode consiste à déposer par MBE (molecular Beam Epitaxy) une monocouche atomique de l'élément métallique dont on veut obtenir l'oxyde sur le substrat choisi et ensuite de réaliser une oxydation « douce » à température ambiante par un simple processus de chimisorption de l'oxygène sur la surface. La quantité d'atome d'oxygène étant fixée, l'échantillon est alors recuit dans des conditions de pression ultra-vide (10 - 10T) à des températures intermédiaires. En répétant plusieurs fois ces étapes il est possible de faire croître différentes épaisseurs d'oxyde de façon très contrôlée.<br /><br />Nous avons étudié la croissance de l'oxyde d'aluminium sur deux substrats différents, un substrat d'argent orienté (111) et un substrat de silicium hydrogéné orienté (100).<br /> L‘étude sur le substrat d'argent a permis la mise au point de la méthode ALDO sur un substrat modèle, que l'on savait peu réactif avec l'oxyde. <br /><br />Une étude AES/LEED nous a permis, entre autre de calibrer et de contrôler la croissance de l'oxyde ALDO, notamment en fixant les températures de recuit, la pression et le temps d'exposition à l'oxygène.<br />La combinaison des techniques AES, LEED, EELS, STM, PES, STS a mis en évidence la nature particulière de cet oxyde d'aluminium qui présente une composition, un gap électrique et une morphologie spécifiques. <br /><br />Les analyses AES ont montré que la signature spectroscopique et la composition de cet oxyde (proche de la composition AlO) sont différentes des couches minces d'alumine de composition Al2O3 largement étudiées par ailleurs. Les mesures de pertes EELS et PES (en rayonnement synchrotron) associées aux mesures STS ont permis de mesurer un gap équivalent aux gaps mesurés dans les films minces d'Al2O3 d'épaisseur équivalente. Le gap mesuré est sur les deux substrats proche de 6,5 et ne varie pas (ou peu) avec les épaisseurs d'oxyde étudiées. L'étude STM nous a permis de vérifier l'homogénéité en épaisseur de cet oxyde avec en particulier la première monocouche d'oxyde qui mouille parfaitement le substrat d'argent. Le caractère très homogène de cet oxyde a été démontré a plusieurs reprises et notamment par l'investigation STM qui nous a permis d'obtenir des images du substrat au travers de l'oxyde et aussi de suivre en direct des processus de diffusion à l'interface de l'argent et de l'oxyde. <br /><br />L'étude menée sur le substrat de silicium, répondant à un objectif plus appliqué a donné lieu à des résultats encourageants. On a vu que la méthode de réalisation de l'oxyde s'applique très bien pour des substrats de silicium hydrogéné. Le caractère homogène de l'oxyde a été mis en évidence par AFM ou TEM. En effet l'oxyde n'augmente que très peu la rugosité initiale mesurée sur le substrat de silicium et les images TEM présentent une interface silicium oxyde de très grande qualité. On observe que le substrat de silicium, pourtant réactif à l'oxygène, n'est jamais oxydé lors de la croissance de l'oxyde par cette méthode. <br />Ces couches d'oxyde sont d'une grande stabilité thermique. L'étude menée par AES, SNMS et TEM a montré que les températures de diffusion de métaux ferromagnétiques comme le cobalt dans cet oxyde sont compatibles avec des applications industrielles.

De récentes études montrent que les films minces présentent des performances thermoélectriques nettement plus importantes (jusqu'à un facteur 3) que celles obtenues dans les matériaux massifs. Nous avons choisi de développer des couches minces thermoélectriques Bi0,5Sb1,5Te3 de type p et Bi2Te2,7Se0,3 de type n présentant les performances thermoélectriques les plus intéressantes à des températures proches de l'ambiante. La technique de dépôt utilisé est la PVD magnétron. L'optimisation des conditions de dépôt (pression Ar, puissance plasma, distance cible-substrat et temps de dépôt) ainsi que du traitement thermique de recuit a permis obtenir des figures de mérite ZT les plus élevées possibles. De plus, les phénomènes physiques mis en jeu dans les films minces étant différents de ceux des massifs, il a été nécessaire des les étudier pour améliorer les performances thermoélectriques des couches minces. De petits dispositifs thermoélectriques en couche minces ont pu être réalisé et caractérisé. En parallèle nous avons exploré la possibilité de faire croître des filaments thermoélectriques de compositions semblables aux couches et de dimensions manométriques au sein d'une matrice d'alumine nanoporeuse. En effet la réduction des dimensions géométriques permet d'augmenter les performances thermoélectriques des matériaux. Nous avons pu réaliser les premiers fils n et p ainsi que les premières caractérisations thermoélectriques.

Les performances d'un filtre optique interférentiel sont directement liées à la qualité du contrôle optique implanté sur la machine de dépôt. Actuellement, les contrôles spectrophotométriques large bande se développent de plus en plus du fait de l'amélioration des détecteurs matriciels. Le système optique développé durant ce travail de thèse présente la particularité de mesurer simultanément les profils spectraux en transmission et en réflexion de l'échantillon traité en rotation au cours du dépôt, ceci sur une plage spectrale située entre 400 et 1000 nm. Un tel système couplé à un logiciel d'optimisation permet de compenser les éventuelles erreurs de dépôt en modifiant après la réalisation de chaque couche les épaisseurs de celles restant à déposer. Il permet également une caractérisation in situ des indices et épaisseurs de matériaux diélectriques ou absorbants.

Depuis une dizaine d'années, l'accroissement important du marché des nouvelles technologies s'est accompagné d'une miniaturisation globale des dispositifs et des sources d'énergie qui leur sont associées. On assiste depuis peu à une demande de plus en plus forte en micro-sources d'énergie performantes, de la part des industriels de la microélectronique pour lesquels l'intégration de ces sources d'énergie miniatures constitue un axe majeur de développement...

Ce document représente ma candidature à l'habilitation à diriger des recherches au sein de l'Université Jean Monnet de Saint-Étienne.. Vous trouverez dans ce document un Curriculum Vitae détaillé et une synthèse de mes travaux de recherche. - Le Curriculum Vitae exhaustif fait apparaître la chronologie de mes activités dans les domaines de l'enseignement et de la recherche. Dans ce CV vous trouverez une liste des travaux et publications, une liste des mémoires dirigés. - La synthèse des travaux de recherche met en évidence les problématiques abordées et leurs positions dans le champ scientifique national et international.

L'objet de ce rapport est l'étude de la croissance épitaxiale de systèmes métalliques sur Si(001). Nous présentons dans un premier temps une étude de la croissance du cuivre à température ambiante en s'appuyant sur un grand nombre de techniques de caractérisation : RHEED, AES, TEM, GIXRD. Pour la première fois nous mettons en évidence l'effet de l'hydrogénation de la surface du silicium et sa nécessité pour la croissance épitaxiale du cuivre. L'hydrogénation en inhibant l'interdiffusion conduit à la formation contrôlée d'une couche épitaxiée quasi continue de siliciure de 2 nm d'épaisseur. La structure cubique centrée identifiée est proche de la phase b-Cu0.83Si0.17 avec un paramètre de maille a = 0,288 nm. Une étude de la morphologie de croissance du cuivre par STM et TEM est présentée. Le cuivre métallique en épitaxie sur ce siliciure présente une forte texturation {001} de pseudo grains colonnaires dont la taille latérale homogène augmente avec l'épaisseur de cuivre déposé.<br />La dernière partie de ce rapport présente deux études de systèmes à anisotropie magnétique perpendiculaire épitaxiés sur Si(001) : Cu/Ni et FePd. Dans le système Cu/Ni, nous montrons à partir d'expériences de AES et d'un modèle de ségrégation la présence d'une zone d'interdiffusion de 1 à 2 nm qui explique en grande partie la diminution du moment magnétique mesuré sur des couches de nickel de faible épaisseur. Finalement, à partir de la formation contrôlée d'un siliciure de cuivre ou de fer, nous rapportons pour la première fois la possibilité d'épitaxier sur Si(001) des couches d'alliage ordonné L10-FePd(001) présentant une forte anisotropie magnétique perpendiculaire.