Th. 3e cycle--Acoust.--Aix-Marselle 2, 1981. / Extr. en partie des Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences de Paris. Série B, 290, 1980, 187-189 ; 291, 1980, 299-301.

Cette thèse a été réalisée pour le labo-commun ST-IEMN, dans le cadre du projet industriel de STMicroelectronics visant à réaliser des résonateurs à ondes acoustiques de volume (BAW : Bulk Acoustic Wave) pour des applications de fitrage RF. A l'instar du quartz, le BAW exploite la résonance du mode d'épaisseur d'une couche piézoélectrique comprise entre deux électrodes. Pour le passage en production de ces composants le contrôle de la fréquence est un défi à relever, et il passe par une connaissance précise des paramètres mécaniques du dispositif. Pour cela, nous exploitons une technique expérimentale permettant de caractériser acoustiquement des empilements de matériaux en couches minces: l'acoustique picoseconde. Nous avons développé la particularité du montage de l'IEMN : l'accordabilité en longueur d'onde. A partir de cette spécificité, des études plus fondamentales ont donné lieu à l'élaboration de protocoles expérimentaux permettant d'augmenter le nombre de caractéristiques mesurables par acoustique picoseconde. L'exploitation de ces protocoles pour la caratérisation des matériaux liés au BAW nous a permis d'enrichir une base de données des paramètres nécessaires à la modélisation et à la conception des dispositifs. D'autre part, nous avons développé des méthodes d'analyse d'empilements complexes, qui ont pu ètre testées sur la version industrielle de la technique d'acoustique picoseconde. Nous avons finalement défini un protocole de suivi de procédé de réalisation des BAW, basé sur une métrologie par acoustique picoseconde / This PhD has been realized for the ST-IEMN Lab, in the frame of an industrial development at STMicroelectronics on Bulk Acoustic Wave (BAW) resonators. The operating principle of a BAW is based on the excitation of the thickness mode of a piezoelectric layer sandwiched between two electrodes. The control of the frequency is a challenging question for the mass production of such components, and requires a precise control of mechanical properties of the device. ln this work, we use an original experimental technique that enables the acoustic characterization of thin films stacks : colored picosecond ultrasonics. We particularly develop the specificity of the IEMN setup : the wavelegth tunability. Through fundamental studies we set up protocols and thus, increase the number of parameters that can be measured with the technique. This work enables us to feed a database ofparameters needed for the design and the modeling of the devices. We also work on complex stacks characterization, a part of the methods has been tested on the industrial version of picosecond ultrasonics. Finally we propose a metrological srategy, based on picosecond ultrasonics, in orde to assist the process of BAW resonators.

L'objectif de cette thèse est la conception d'un capteur de pression à ondes de surface utilisant le nitrure d'aluminium (AlN). Les études théoriques, la réalisation et la caractérisation du capteur de pression sur différentes structures à ondes de surface sont présentées. La modélisation du capteur est effectuée en utilisant un circuit équivalent basé sur le modèle de Mason et la méthode des modes couplés. Les paramètres des ondes de surfaces sont obtenus par calcul et analysés pour différentes structures telles que AlN/SiO2/Si, AlN/Si et AlN/Mo/Si. A partir de ces analyses, nous avons montré que la vitesse des ondes ainsi que le facteur de couplage peuvent dépendre du milieu de propagation. Pour chaque type de structure utilisant l'AlN, nous déterminons la plage d'épaisseur de la couche d'AlN pour laquelle la vitesse des ondes et le facteur de couplage présentent une faible dépendance au regard de l'épaisseur d'AlN. Les dispositifs à ondes de surface doivent être conçus, en particulier pour le choix des épaisseurs de différentes couches, en tenant compte de la précision du procédé de fabrication, afin de réduire les dispersions de caractéristiques des capteurs. En outre, nous avons analysé le comportement mécanique de la membrane en présence d'une pression et nous en avons déduit la sensibilité du capteur. Les effets des variations de température sur une structure à ondes de surface (SAW) sont étudiés. Pour des applications dans le domaine de la mesure de pressions, nous proposons une méthode de réduction des effets des variations de température. Pour le précédé de fabrication, nous proposons d'utiliser le micro-usinage de surface. Ce type de procédé de fabrication permet d'obtenir exactement les dimensions des membranes utilisées dans les capteurs de pression et il permet aussi de réaliser tout type de géométrie grâce au procédé d'arrêt de gravure du silicium. Les films de nitrure d'aluminium sont caractérisés au cours de la fabrication. Nous avons trouvé que pour améliorer le comportement piézoélectrique de l'AlN, trois voies sont possibles : utiliser une couche de molybdène sous l'AlN, réduire la rugosité de la couche se trouvant sous l'AlN jusqu'à 0,2 nm et augmenter l'épaisseur de l'AlN. Les pertes acoustiques de propagation, le facteur de couplage, l'effet d'une couche de Mo et l'effet du film mince de polyimide sur la fréquence centrale sont analysés expérimentalement. En conclusion, la sensibilité de pression mesurée de notre dispositif est présentée. Ce dernier résultat est très prometteur.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation mathématique des hétérogénéités de longueurs caractéristiques beaucoup plus petites que la longueur d'ondes. La thèse consiste en deux parties. La partie théorique est dédiée à l'obtention d'un développement asymptotique raccordé: la solution est décrite à l'aide d'un développement de champ proche au voisinage de l'obstacle et par un développement de champ lointain hors de ce voisinage. Le développement de champ lointain met en jeu des solutions singulières de l'équation des ondes tandis que le champ proche lui est régi par un modèle quasi-statique. Ces deux développements sont alors raccordés dans une zone intermédiaire dite de raccord. Nous obtenons alors des estimations d'erreurs permettant de rendre rigoureux ce développement asymptotique formel. La deuxième partie est numérique. Elle décrit à la fois la méthode de Galerkine discontinue, une méthode de raffinement de maillage espace-temps et propose une discrétisation des modèles asymptotiques obtenues précédemment. Elle est illustrée par un certain nombre de tests numériques. / In this thesis, we focus our attention on the modeling of heterogeneities which are smaller than the wavelength. The document is decomposed into two parts : a theoretical one and a numerical one. In the first part, we derive a matched asymptotic expansion composed of a far-field expansion and a near-field expansion. The terms of the far-field expansion are singular solutions of the wave equation whereas the terms of the near-field expansion satisfy quasistatic problems. These expansions are matched in an intermediate region. We justify mathematically this theory by proving error estimates. In the second part, we describe the Discontinuous Galerkin method, a local time stepping method and the implementation of the matched asymptotic method. Numerical simulations illustrate these results.

Aujourd'hui, les structures basées sur les matériaux ferromagnétiques sont largement utilisées pour différentes applications: mémoires magnéto-résistives à accès non séquentiel, capteurs magnétiques et également nouveaux composants électroniques et dipositifs spintroniques. La tendance générale de l'électronique moderne est une réduction de la dimension des éléments à l'échelle submicronique. Ainsi, les nanostructures magnétiques sont d'un grand intérêt et leurs méthodes de fabrication et propriétés sont étudiées activement.Le but principal de ce travail est la préparation et la recherche expérimentale et théorique des propriétés de nanostructures magnétiques pour applications aux composants magneto-résistifs et phononiques. La lithographie à sonde locale (SPL) et la lithographie par faisceau d’électrons (EBL) ont été utilisées pour la fabrication des nanostructures. De premiers pas ont également été réalisés en fabrication des cristaux phononiques sensibles au champ magnétique. / Nowadays, structures based on ferromagnetic materials are largely used for different applications: random access magneto-resistive memories, magnetic sensors, and also new electronic components and spintronic devices. The general trend of modern electronic is the reduction of dimensions down to submicronic scales. Therefore, the magnetic nanostructures are of great interest and their methods of fabrication and properties largely studied.The main goal of this work is the preparation and experimental and theoretical research on properties of magnetic nanostructures for applications in magnetoresistive and photonic devices. The Scanning Probe Lithography (SPL) and Electron Beam Lithography (EBL) were used for the nanostructures fabrications. First steps were also achieved in fabrication of phononic cristals sensitive the magnetic field.

La sensibilité des détecteurs d’ondes gravitationnelles de LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est limité par les fluctuations thermiques dues à la dissipation mécanique dans les couches de Ta2O5 amorphe, qui est une composante des miroirs des interféromètres. Le paramètre d’angle de perte ( ) permet de quantifié l’ampleur de la dissipation et est obtenu en étudiant l’absorption d’énergie mécanique par la couche de matériau. Ce paramètre est généralement caractérisé expérimentalement à des fréquences d’excitations allant de 1-30 KHz près de celle qui nous intéresse pour la détection d’onde gravitationnelle (10-100 Hz) et par des simulations de dynamique moléculaire pour des fréquences très élevées (GHz). Notre recherche vise à caractériser l’angle de perte pour ce matériau pour des fréquences intermédiaires, soit dans la gamme des MHz. Afin d’obtenir une meilleure précision sur les résultats, on utilise les ondes acoustiques de surface qui donne un plus grand poids à la couche mince lors du calcul de l’angle de perte. Deux méthodes sont utilisées pour tenter d’obtenir l’angle de perte des couches ( c) de Ta2O5 de 1 μm déposées sur des substrats, d’une part, composé de SiO2 B270 d’épaisseur 2 mm, et d’autre part, de LiNbO3 d’épaisseur 1 mm. La première se fait à l’aide d’un transmetteur piézoélectrique amovible qui génère les ondes de surface et d’un vibromètre laser qui détecte l’amplitude des vibrations à différentes positions sur l’échantillon. Malgré un précision limitée, il est possible d’obtenir l’angle de perte des couches minces à une fréquence d’excitation de 9.08 MHz. Les résultats les plus fiables de c sont dans l’intervalle 2−7×10−2 avec des incertitudes de 1−3×10−2, ce qui représente de 15 à 50% des valeurs selon le cas. On obtient donc des résultats plus élevés que ce qui est attendu pour cette gamme de fréquence, même avec une précision limitée, ce qui nous porte à penser que certains mécanismes peuvent affecter l’angle de perte à plus hautes fréquences. Pour la deuxième méthode, on place directement sur l’échantillon des transmetteurs interdigitaux qui servent à la fois d’émetteur et de récepteur et une cavité résonante qui permet de contenir les ondes d’une certaine longueur d’onde sur l’échantillon. Les fréquences d’excitations des ondes de surface générés sont de 19.89 MHz et 33.15 MHz. Nos échantillons ne nous permettent pas de calculer c, mais la technique de mesure nous permet d’avoir une précision au moins plus élevée que la première méthode soit 1 × 10−2 pour un échantillon et 4 × 10−3 pour l’autre. On peut facilement améliorer la méthode, notamment en augmentant la réflectivité de la cavité résonante, ce qui permettrait d’obtenir des résultats précis avec des échantillons qui comprennent la couche mince. / Limitations to the sensitivity of LIGO’s (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) gravitational wave detectors is due to thermal fluctation induced by mechanical dissipation in the amorphous Ta2O5 thin films composing the interferometer’s mirrors. The loss angle parameter ( ) describes the magnitude of the dissipation that occurs in the material and is obtained by studying the mechanical energy absorption of the thin film. This parameter is usually measured for a range of frequencies going from 1 to 30 KHz, which is near the expected frequencies for gravitational wave detection (10-100 Hz). Molecular dynamics simulations also calculate the loss angle for very high frequencies (GHz). Our research aim to caracterise the loss angle of Ta2O5 thin films in the MHz mid-range frequencies. We use surface acoustic waves for the thin film to have a greater weight in the caculation of the loss angle to help us get a higher precision. Two methods are used to obtain the loss angle of the film ( c) of Ta2O5 (1 μm thick) which, for the first method, is deposited on a 2 mm thick SiO2 B270 substrates, and, for the second method, on a 1mm thick LiNbO3 substrates. The first one uses a movable piezoelectric transducer that generates the surface waves and a laser vibrometer to mesure the amplitude of the vibration along the sample. Though the precision is not very good, we were able to calculate the loss angle of thin films for a surface wave frequency of 9.08 MHz. The best results for c are within the range of 2 − 7 × 10−2 with uncertainties ranging from 1−3×10−2, which represent 15 to 50% of values by case. We get higher loss angles than what was expected for this frequency range, even with a low precision, so we suspect that some loss mechanisms might affect the loss angle at higher frequency. The second method uses a resonator that is place directly on the samples with interdigital transducers that generate the surface waves and acoustical mirrors that form the resonator (acoustical cavity). Wave are excited at two different frequencies, 19.89 MHz and 33.15 MHz, and are contained in the resonator to study their propagation on the sample. Althouth we do not have c results for coated sample, we were able to evaluate the precision of such measuments and we have uncertainties of 1 × 10−2 for a sample and 4 × 10−3 for the other. The samples used with this method could easily be improve, by increasing the reflecitvity of the resonator mirrors, to obtain a higher precision and get better results for sample coated with a thin film.