Les matériaux conducteurs transparents font partie intégrante de très nombreux dispositifs optoélectroniques (de type cellule solaire, OLED, capteur tactile, etc.). Pour des raisons techniques et économiques (évolution des marchés vers les applications flexibles),d’importantes recherches sont mises en œuvre pour remplacer les couches minces d’oxydes métalliques (principalement en ITO) actuellement utilisées. En effet, de par sa faible résistance mécanique à la flexion et son coût d’élaboration élevé, l’ITO ne répond pas aux besoins de ces marchés émergents. L’utilisation de nanomatériaux en solution, et en particulier de nanofils métalliques, apparaît comme une alternative très prometteuse qui offre la possibilité d’utiliser des méthodes d’impression bas coût et grande surface. Ces travaux de thèse présentent les procédés de synthèse et purification de nanofils d’argent et de cuivre à forme facteur de forme. L’impression par spray de réseaux 2D percolants permet la réalisation d’électrodes flexibles démontrant d’excellentes propriétés optoélectroniques.Les nanofils d’Ag semblent toutefois être de meilleurs candidats que les nanofils de Cu (synthèse multi-grammes, impression grande surface, meilleure stabilité à l’air, etc.). Ainsi,après avoir identifié les principaux verrous technologiques ayant trait à l’utilisation des AgNF (rugosité, adhésion, travail de sortie, stabilités environnementales/électriques), différentes solutions ont été proposées dans le but d’améliorer les performances et de rendre les nanofils d’argent compatibles avec l’intégration en dispositif. Le potentiel des nanofils d’argent en tant que remplaçants de l’ITO a été confirmé grâce à l’intégration d’électrodes dans divers dispositifs fonctionnels (cellule solaire organique, capteur capacitif ou encore film chauffant). / Transparent conductive thin films are widely used in technologies like solar cells, light-emitting diodes, and display technologies. The fabrication of transparent conductive films is currently realized with thin films of transparent conductive oxides (TCOs), and in particular indium tin oxide (ITO). The as-made ITO transparent conductors suffer from limitations like costly fabrication process and brittleness. The use of solution-processable nanomaterials, and especially metallic nanowires, appears as a promising alternative since it affords a large area, low-cost deposition method with high performances.This thesis report that by optimizing synthesis methods and printing methods, flexible electrodes demonstrating excellent opto-electronic properties were performed, either with the use of a percolating network of silver nanowires or copper nanowires. The silver nanowires, however, seem to be better candidates than the copper nanowires (synthesized substantial amount, printing large area, better stability in air, etc.). Thus, having identified the main technological barriers related to the use of Ag NW (roughness, adhesion, work function, electrical/environmental stabilities), different solutions have been proposed in order to make the silver nanowires compatible with as many devices for integration.The potential of silver nanowires as replacements for ITO was confirmed through the integration of electrodes in various functional devices (organic solar cell, capacitive touch sensor or the film heater).

L'utilisation de matériaux transparents et conducteurs a subi une croissance exponentielle lors de la dernière décennie, puisque faisant partie intégrante de nombreux dispositifs optoélectroniques tels que les écrans tactiles & les cellules solaires. Parmi ces matériaux, l'oxyde d'indium-étain occupe la quasi-totalité du marché puisqu'il associe une conductivité élevée et une transparence supérieure à 90% sous forme de film mince. Cependant, le développement de technologies flexibles pousse à rechercher des alternatives à son utilisation car son cout élevé et sa faible flexibilité le rendent incompatible. Au milieu des alternatives carbonées (graphène et nanotubes), les nanomatériaux métalliques ou les polymères conducteurs se présentent comme des alternatives intéressantes : bas cout et facilité à mettre en forme pour les polymères conducteurs, hautes performances pour les nanofils métalliques. Cette thèse présente la mise en œuvre de ces matériaux alternatifs par la méthode originale d'électrofilage et l'étude de leurs propriétés optoélectroniques. La maitrise des conditions de mise en forme (champ, débit, paramètres environnementaux) et l'optimisation des solutions utilisées (rhéologie, concentration en polymère, co-solvants) nous a permis d'obtenir 2 types de nanostructures : des nanofibres 100% polymériques à base de PEDOT:PSS et des nanofibres composites PVP:Nanofils d'argent. L'étude des propriétés opto-électroniques des réseaux ainsi obtenus a aussi été étudiée / The use of transparent and conductive materials has been growing exponentially in the last decade as they are part of many optoelectronic devices such as touch screens and solar cells. Among these materials, Indium-Tin Oxide (ITO) is the market reference since it combines a low resistivity and a high transparency up to 90% in the form of thin film. However, the growing in the development of flexible technologies created a real need in alternatives as ITO has poor mechanical properties. Carbon nanotubes and graphene are potential substitutes, but metallic nanowires and conductive polymers have been developed for their high performances and low cost respectively.This thesis presents the implementation of these alternatives by the original method of electrospinning and the study of their optoelectronic properties. The optimization of the experimental setup (field, rate, environmental parameters) and solutions (rheology, polymer concentration, co-solvents) allowed us to obtain 2 different kinds of nanostructures: fully polymeric with PEDOT:PSS and composite with PVP and silver nanowires. The study of the optoelectronic properties of the resulting networks has also been investigated

L’objectif de ces travaux est pour d’apporter des solutions innovantes à la réalisation de dispositifs passifs performants et compacts, susceptibles d’intéresser les concepteurs de circuits RF et millimétriques. Ces dispositifs sont basés notamment sur des lignes microrubans à ondes lentes sur substrat structuré, que cela soit sur PCB avec des vias borgnes pour la RF, ou nanostructurés sur membranes à nanofils pour le millimétrique. Les travaux complets comprennent (i) une analyse de la topologie, (ii) un développement du modèle équivalent validée par des simulations électromagnétiques (HFSSTM) et des mesures sur PCB et sur des membranes brésiliennes en millimétrique, (iii) des abaques de conceptions et (iv) des applications à la conception des nouveaux dispositifs passifs miniaturisés. Notre lignes offrent une grande souplesse de conception et peuvent être placées indifféremment sur le substrat structuré sans modification de leurs paramètres électriques. Un nouveau coupleur hybride miniaturisé par l’utilisation de cette ligne est présenté comme une preuve de concept. Pour aller plus loin, une étude comparable des structures de lignes microrubans couplées à ondes lentes est développée. Le principe du couplage sur substrat structuré est d’abord exposé avec une présentation de ses avantages et inconvénients, puis un modèle est également proposé dans le but de réaliser un coupleur co-directif 0-dB miniaturisé par l’utilisation de ces lignes. De plus, un des parties essentielles de ces travaux concerne l’utilisation de la structure microruban à onde lente pour la miniaturisation de dispositifs passifs non-réciproques : un nouvel isolateur microruban compact avec l’introduction de vias dans le ferrite et une nouvelle conception de circulateur miniaturisé sur le substrat ferrite-diélectrique avec un réseau de vias borgnes. / This work focuses on providing innovate solutions into the realization of high-quality and compact passive devices for designer on RF and millimeter-wave bands. These devices are based on slow-wave microstrip lines on structured substrate, either on PCB with blind vias for RF applications, or on metallic nanowire membrane. The complete works include (i) an analysis of topology, (ii) a development of equivalent model validated by the electromagnetic simulations (HFSSTM) and the measurements, (iii) design charts and (iv) applications on design of novel miniaturized passive devices. These transmission lines give the flexibility for designers and capability to be indifferently placed on structured substrate without any impact on their electrical parameters. A novel miniaturized hybrid coupler using this line is proposed, as a proof of concept. In the other hand, a comparable study on the structure of slow-wave coupled microstrip lines is developed. The principal of coupling on structured substrate is shown for their advantages and drawbacks and then an electrical model is also proposed in order to realize a miniaturized 0-dB forward-wave directional coupler using these lines. Moreover, an essential part of this thesis concerns the utilization of the slow-wave microstrip structure to miniaturize the non-reciprocal passive devices: a novel microstrip isolator with the introduction of vias inside the ferrite and a novel design of the miniaturized circulator on a ferrite-dielectric substrate with blind vias.

Actuellement, le développement à grande échelle des piles à combustible à membrane échangeuse de protons est limité par l’utilisation importante de platine ainsi que par une faible durabilité des dispositifs. Les électrodes conventionnelles, dénommées Pt/C, sont constituées de nanoparticules de platine déposées sur un support composé de nanoparticules de carbone. Le but de cette thèse est de proposer, élaborer et tester en pile à combustible complète des nanostructures composées de nanotubes de platine autosupportés afin d’augmenter la durée de vie des dispositifs et de réduire la quantité de platine utilisée. Afin de réaliser de telles nanostructures, un moule d’alumine nanoporeuse constitué de nanopores verticaux est élaboré par oxydation électrochimique d’aluminium. Cette matrice de nanopores permet de réaliser une croissance confinée de nanotubes de platine par évaporation de métal sous vide ou par des dépôts électrochimiques. Une membrane de Nafion® est par la suite pressée à chaud et l’alumine est dissoute. Des nanotubes de platine autosupportés sont ainsi obtenus à la surface de la membrane. Afin de comprendre le fonctionnement de ces électrodes en pile à combustible complète, une méthode de quantification des pertes limitant les performances d’électrodes standards de Pt/C a été utilisée. La nanostructuration des électrodes permet d’augmenter significativement la durée de vie des dispositifs et de diminuer les pertes de transport d’oxygène. La principale limitation mise en évidence est des pertes cinétiques importantes en raison de la faible surface spécifique de platine développée. / The two main drawbacks of Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are the low electrode durability and the high platinum loading (electrocatalyst for oxygen reduction reaction). Currently, PEMFC electrodes, named as Pt/C, are made of platinum nanoparticles supported by carbon nanoparticles. The aim of this PhD work is to propose, elaborate and test in complete fuel cell new electrode nanostructure consists in self-supported platinum nanotubes. We target a reduction in the platinum loading and an increase in the electrode durability. In order to control nanostructure geometries, a porous alumina mold is used. This template is obtained by electrochemical anodization and vertically aligned nanopores are obtained. Platinum is subsequently deposited onto pore walls by e-beam evaporation or electrochemical deposition processes. After the hot pressing of the Nafion® proton exchange membrane, the porous alumina mold is etched and platinum nanotubes are stuck and self-supported onto the membrane. A part of this work is dedicated to the quantification of performances losses of Pt/C electrodes and nanostructured electrodes in complete fuel cell test operating conditions. Nanostructured electrodes exhibit high durability and easy oxygen access on catalyst surface compared to Pt/C electrodes. However, some losses kinetics remains due to the low catalyst specific area.

Les électrodes transparentes (ET) sont présentes dans de nombreux dispositifs optoélectroniques. Par exemple, on peut les trouver au sein de cellules solaires, d'écrans tactiles, d'OLEDs ou encore de films chauffants transparents. Les propriétés physiques de ces électrodes influencent l'efficacité de ces dispositifs. Les ET sont fabriquées à partir de matériaux transparents conducteurs (TCM) dont le développement a débuté dans les années 1950 notamment avec les oxydes métalliques. Parmi ces oxydes transparents conducteurs (TCO), l'oxyde d'étain-indium (ITO) est celui le plus communément utilisé dans les cellules solaires et les écrans de télévision ou de smartphones. Cependant, de nouvelles exigences telles qu'une réduction des coûts, la flexibilité et la fabrication à faible température et/ou faible coût, ont orienté les recherches vers de nouveaux TCM, notamment à base de nanostructures. Parmi ces matériaux émergents, les réseaux de nanofils métalliques, en particulier de nanofils d'argent, présentent déjà des propriétés optiques et électriques approchant celles de l'ITO, c'est-à-dire une conductivité électrique et une transparence élevées. Ces deux propriétés sont cependant intrinsèquement liées à la densité de nanofils constituant le réseau, et lorsque la conductivité augmente, la transparence diminue. Des traitements post-dépôt existent et permettent d'augmenter la conductivité électrique des ET sans changer la densité du réseau. Plusieurs de ces méthodes d'optimisation ont été étudiées pendant ce travail de thèse, en particulier le recuit thermique, analysé minutieusement afin de comprendre les différents mécanismes de réduction de la conductivité électrique induits par la température. L'examen des effets thermiques a soulevé la question de l'instabilité des nanofils en température, qui est aussi abordée et discutée dans ce document. Le paramètre clé de la densité de nanofils optimale menant au meilleur compromis entre transparence et conductivité a été recherché pour des nanofils de différentes dimensions. La taille des nanofils a en effet un fort impact sur les propriétés du réseau. Ainsi, les propriétés électriques, dans le cadre de la théorie de la percolation, les propriétés optiques comme la transmittance et le facteur de haze, et même l'instabilité thermique ont été reliées aux dimensions des nanofils ainsi qu'à la densité du réseau en utilisant des modèles physiques simples. En ce qui concerne les applications de ces ET émergentes, des études ont été menées sur l'application des réseaux de nanofils d'argent comme film chauffant transparent, et les résultats sont rapportés à la fin de ce document. Les limitations soulevées par cette application, comme les limites de stabilités électrique et thermique ont aussi été abordées. Pour finir, des études préliminaires menées sur de nouvelles applications comme des antennes transparentes ou le blindage électromagnétique transparent utilisant les nanofils d'argent sont présentées. / Transparent electrodes (TE) are used in a variety of optoelectrical devices. Among them, solar cells, flat panel displays, touch screens, OLEDs and transparent heaters can be cited. The physical properties of the TE influence the efficiency of the device as a whole. Such electrodes are fabricated from transparent conducting materials (TCM) that have been undergoing development since the 1950s, initially from metallic oxides. Among these transparent conducting oxides (TCO), indium tin oxide (ITO) is the most commonly used in solar cells, and television or smartphone screens. However requirements such as cost reduction, flexibility and low cost/temperature fabrication techniques have oriented the researches toward emerging TCM, mostly using nanostructures. Among them, metallic nanowire networks, and in particular silver nanowires (AgNW), already present optical and electrical properties approaching those of ITO, i.e. a high electrical conductivity and a high transparency. These two properties are intrinsically linked to the network density, therefore a tradeoff has to be considered knowing that when conductivity increases, transparency decreases. Some post-deposition treatments do exist, allowing an increase of the TE electrical conductivity without changing the network density. Several of these optimization methods have been thoroughly studied during this thesis work, especially thermal annealing. This method have been investigated in details to understand the different thermally-induced mechanisms of conductivity improvement. In addition, the investigation of thermal effects raised the question of thermal instability of the nanowires, which is also addressed and discussed in this document. The key issue of density optimization, allowing the best tradeoff between transparency and conductivity, has been investigated for nanowires with different dimensions. Nanowire size has a strong impact on the network properties. Thus, electrical properties, within the framework of percolation theory, optical properties such as transmittance or haziness, and even thermal instability have been linked to the nanowires' dimensions and the network density by using simple physical models. Regarding the application of these emerging TE, studies were conducted on the application of AgNWs as transparent heaters, and the results are reported at the end of the document. Limitations arising from this application, like thermal and electrical stabilities, have also been addressed. To finish, preliminary studies conducted on new applications such as transparent antennas and transparent electromagnetic shielding using AgNW are presented.