Le phénomène de transition de spin correspond au changement d'état de spin d'un ion de transition sous l'action d'une perturbation extérieure (T, P, B, hv). Dans certains complexes du Fe(II), par exemple, l'ion peut basculer de l'état haut spin paramagnétique (S=2) vers l'état bas spin diamagnétique (S=0). Avant d'envisager des applications industrielles, il est nécessaire de bien comprendre et de maîtriser les différences de comportement magnétique de ces composés. C'est dans ce contexte que l'équipe des sciences moléculaires de l'ICMCB étudie depuis quelques années des complexes mononucléaires du Fe(II) aux caractéristiques magnétiques de transition de spin très variées. Dans ce travail de thèse, les paramètres structuraux à l'origine des différences de comportement d'un complexe à l'autre sont identifiés. De plus, des corrélations directes entre propriétés magnétiques et les propriétés structurales des complexes de la série [FeLn(NCS)2]sont mises en évidence. Par ailleurs, pour la première fois, les structures cristallines de ces complexes dans des états métastables atteints par effet de trempe thermique ou par photo-excitation à très basse température ont été déterminées.

Le présent travail s'articule autour de l'élaboration du matériau binaire In2S3 en couches minces en tant qu'alternative crédible au composé CdS, dans les cellules solaires à base de CuInS2. Nous avons utilisé la technique de dépôt chimique en solution (Chemical Bath Deposition ou CBD) qui est une technique non coûteuse, non toxique et facile à manipuler. Les couches fabriquées sont caractérisées de différents points de vue et à différentes échelles : caractérisations structurale par diffraction de rayons X (DRX), morphologique par Microscopie Electronique à Balayage (MEB), composition chimique par spectroscopie en dispersion d'énergie (EDS), propriétés optiques par spectrophotométrie, et électriques par la méthode du courant thermiquement stimulé (TSC) et par cartographie de courant localisé. L'objectif de ce travail est l'étude systématique des effets du dopage à l'aluminium et à l'étain, et du traitement thermique des films minces de In2S3 déposés sur verre et sur SnO2. Nous avons réalisé tout d'abord par CBD une multicouche d'In2S3 :4%Al formée par trois dépôts successifs sur des substrats verre et SnO2:F. La comparaison des caractéristiques physicochimiques est faite avec la couche non dopée en tant que caractéristiques de référence. L'étude par DRX faite pour différentes concentrations en Al, montre que ce binaire cristallise selon la structure cubique d'orientation préférentielle (400). Une meilleure cristallisation est obtenue pour une concentration en aluminium dans la solution y = [Al]/[In] = 4%. L'analyse optique montre que le gap est direct, il varie de 2,3 à 2,9 eV; la plus large bande optique est obtenue pour y = 4%. C'est une bonne valeur pour l'utilisation du composé β-In2-xAlxS3 comme fenêtre optique dans les dispositifs photovoltaïques. L'étude de l'effet du dopage à l'étain des multicouches d'In2S3, nous a permis de déduire qu'une meilleure cristallinité, une faible rugosité de la morphologie de surface et un gap optique plus proche de l'optimum théorique, sont obtenus pour des films croissants sur le substrat Pyrex avec une concentration d'étain égale à 2‰. L'analyse effectuée par MEB sur la tranche a montré que l'épaisseur moyenne des couches diminue avec l'augmentation de la concentration d'étain. La présence de l'étain, même en très petites quantités induit des changements importants dans le processus de croissance du film. L'étude TSC montre que l'augmentation de la concentration de l'étain au-delà 2 ‰ conduit à une diminution de courant thermiquement stimulé. Le recuit à différentes températures sous azote est appliqué aux couches dopées et non dopées étudiées précédemment. Le traitement thermique sous azote à 400°C provoque une augmentation nette de la taille des cristallites pour pratiquement tous les films minces dopés ou non dopés déposés sur verre ou sur SnO2. L'analyse par diffraction des rayons X a révélé une conversion de la phase cubique (400) à la phase tétragonale (109) pour l'In2S3:4%. Le changement de la forme des cristallites observé par AFM, met également en évidence l'existence d'une autre phase. Les analyses électriques par TSC montrent particulièrement le comportement électrique de type semiconducteur pour les films minces dopés à 4% Al, et recuit à 400°C, ainsi que pour les films minces dopés à l'étain après recuit à 200°C. L'analyse locale du courant de conduction dans la couche de In2S3 fait apparaître des inhomogénéités plus grandes après traitement thermique. Cependant les bons résultats macroscopiques permettent d'envisager sereinement la fabrication de cellules solaires incluant ces couches. / The present work focuses on the development of binary material In2S3 thin films as an alternative to CdS in thin film solar cells based on CuInS2. We used the technique of Chemical Bath Deposition (CBD) as it is non-expensive, non-toxic and easy to handle. Layers produced are characterized at different levels and scales: cristalline structure by X-ray diffraction (XRD), surface morphology by Scanning Electron Microscopy (SEM), chemical composition by energy dispersive spectroscopy (EDS), optical properties by spectrophotometry and electrical conduction by thermally stimulated currents (TSC) and local mapping of currents. The objective of this work is the systematic study of the effects of aluminum or tin doping, and heat treatment of In2S3 thin films deposited on glass and SnO2. We achieved first a multilayer of CBD In2S3:Al(4%) formed by three successive deposits on glass and SnO2 substrates. Comparison of physicochemical characteristics is made with the undoped layer as reference features. The XRD study done for different Al concentrations, shows that In2S3:Al crystallizes in the cubic structure with preferential orientation (400). Better crystallization is obtained for a concentration of aluminum in the solution y = [Al] / [In] = 4%. The analysis shows that the optical gap is direct, it varies from 2.3 to 2.9 eV, the largest optical band is obtained for y = 4%. It is a good value for the use of the compound β-In2-xAlxS3 as optical window in photovoltaic devices. The effect of tin doping in In2S3 multilayers induces a better crystallinity, low roughness of the surface morphology and optical gap closer to the theoretical optimum, obtained for films grown on Pyrex substrate with a tin concentration equal to 2 ‰. Analysis by SEM on the wafer cleaved-edge showed that the average thickness of the layers decreases with increasing the concentration of tin. The presence of tin, even in very small quantities induced significant changes in the growth process of the film. The TSC study shows that increasing concentration of tin beyond 2‰ leads to a reduction of thermally stimulated current.Annealing at different temperatures under nitrogen is applied to doped and undoped layers studied previously. Heat treatment under nitrogen at 400 ° C causes a net increase of crystallite size for virtually all thin films doped or undoped deposited on glass or SnO2. The analysis by XRD showed a conversion of the cubic phase (400) to the tetragonal phase (109) for In2S3:Al(4%). Change the shape of the crystallites observed by AFM, also highlights the existence of another phase. The TSC analyzes show particular electrical behavior close to semiconductor type for the thin films doped with 4% Al and annealed at 400°C, as well as thin films doped with tin after annealing at 200°C. The local analysis of the conduction current in the layer of In2S3 shows inhomogeneities larger after heat treatment. However, good macroscopic results should allow to fabricate promising solar cells incorporating these layers.

Les matériaux multiferroïques sont des matériaux dans lesquels des ordres magnétiques, électriques et élastiques peuvent coexister dans une même phase. Ces ordres peuvent être couplés entre eux et l’étude de ces couplages permet de mieux comprendre les mécanismes à l’œuvre dans ces matériaux. Cette thèse porte sur l’étude de différents composés multiferroïques par spectroscopie Raman. Dans la ferrite de bismuth (BiFeO₃), l'effet de la contrainte sur le magnétisme, aussi bien sur les films minces (par contrainte épitaxiale) que le bulk (par pression hydrostatique) est étudié en détail. Cette thèse présente également une étude des excitations hybrides magnéto-électriques (électromagnons) dans les composés de type II à forte polarisation ferroélectrique comme CaMn₇O₁₂ et TbMnO₃. En outre, les modes de phonons ainsi que les excitations de basses énergies ont été étudiés (notamment sous champ magnétique) dans des composés au magnétisme frustré comme h-YMnO₃, h-YbMnO₃ et dans le langasite de fer au niobium. / Multiferroics are materials in which magnetic, electric and elastic orders can coexist in the same phase. These orders can be coupled to each other and their study of high interest to understand the mecanisms at stake in the multiferroic materials. This PhD thesis has been focused on the study of several multiferroic compounds by the mean of Raman spectroscopy. In bismuth ferrite (BiFeO₃), the effect of strain on the magnetic order, both on thin films (epitaxial strain) and single crystals (hydrostatic pressure), has been thoroughly investigated. This thesis also focuses on the study of hybrid magneto-electric excitations (electromagnons) in type II multiferroic compounds with strong ferroelectric polarizations such as CaMn₇O₁₂ and TbMnO₃. Furthermore, phonons modes and of low energy excitations have been measured and studied (especially under magnetic field) in compounds with frustrated magnetic orders such as h-YMnO₃, h-YbMnO₃ and in the niobium iron langasite (Ba₃NbFe₃Si₂O₁₄).

Dans ce travail, nous illustrons l’avantage de coupler les techniques de photoémission résolue en angle (ARPES) et de microscopie/spectroscopie tunnel (STM/STS) pour l'étude des propriétés électroniques et structurales des surfaces/interfaces nanostructurées. Dans la première partie, nous présentons l’étude du supraconducteur non conventionnel Eu(Fe0.86Ir0.14)2As2. Ce composé, dopé en Ir de manière optimale, possède une phase supraconductrice réentrante (Tc=22K) qui coexiste avec un ordre ferromagnétique (TM=18K). Nous présentons une étude par ARPES de la structure de bande dans le plan et hors plan ainsi que de la surface de Fermi. Les bandes associées aux états 3d du fer, responsables de la supraconductivité, sont modifiées en présence de la substitution en Ir, mais la topologie de la surface de Fermi est conservée. Le gap supraconducteur est mesuré à 5.5 meV, supérieur à la valeur estimée par la théorie BCS pour une température Tc=22K. La disparition du gap au-dessus de T=10K coïncide avec la phase résistive induite par l’ordre magnétique des moments Eu2+. Les modifications de la surface de Fermi dans le composé substitué indiquent clairement un dopage effectif en trou par rapport au composé parent. La seconde partie est consacrée à l’étude de la croissance, des mécanismes de polymérisation et des conséquences sur les propriétés électroniques de nanostructures moléculaires. Celles-ci sont élaborées par évaporation sous vide des molécules 1,4-dibromobenzène (dBB) et 1,4-diiodobenzène (dIB) sur les surfaces de Cu(110), Cu(111) et Cu(775) en utilisant la réaction catalytique de Ullmann. Nous avons étudié l’influence du type d’halogène et de substrat sur la réaction de polymérisation ainsi que les conséquences sur les propriétés électroniques. En particulier, nous mettons en évidence par des mesures STM et NEXAFS (mesures effectuées à l’aide du rayonnement synchrotron) un mécanisme original de croissance des polymères sur la surface de Cu(775) qui s’accompagne d’une restructuration à l’échelle nanométrique sous la forme d’un « step-bunching ». Celui-ci conduit à la formation de polymères de grande longueur et parfaitement ordonnés à grande échelle. En combinant les mesures ARPES et STS, nous mettons en évidence une évolution du gap HOMO-LUMO caractérisant les chaînes de poly(para)phénylène ainsi formées avec le type d’halogène impliqué dans la réaction catalytique et la géométrie du substrat. Nous montrons ainsi que si le caractère métallique du polymère élaboré sur le Cu(110) trouve son origine dans sa forte interaction avec le substrat, celle-ci diminue fortement lorsque la synthèse a lieu sur les surfaces de Cu(111) et de Cu(775) conduisant à retrouver un comportement semi-conducteur caractérisé par un gap HOMO-LUMO évalué à 2.2 eV / In this work, we highlight the advantage of coupling techniques such as angle resolved photoemission (ARPES), scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS) for investigating the electronic and structural properties of nanostructured surfaces/interfaces. In the first part, the electronic structure of the reentrant superconductor Eu(Fe0.86Ir0.14)2As2 (Tc=22K) with coexisting ferromagnetic order (TM=18K) is investigated using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and scanning tunneling spectroscopy (STS). We study the in-plane and out-of-plane band dispersions and Fermi surface of Eu(Fe0.86Ir0.14)2As2. The near EF Fe 3d-derived band dispersions near the high-symmetry points show changes due to Ir substitution, but the Fermi surface topology is preserved. The superconducting gap measured at the lowest temperature T=5K (equal to 5.5meV) is beyond the weak-coupling BCS estimation for Tc=22 K. The gap gets closed at a temperature T=10K and this is attributed to the resistive phase which sets in at TM=18K due to the Eu2+ derived magnetic order. The modifications of the FS with Ir substitution clearly indicate an effective hole doping with respect to the parent compound. In the second part, we provide insight into the growth and the electronic properties of 1,4-dibromobenzene (dBB) and 1,4-diiodobenzene on Cu(110), Cu(111) and Cu(775) surfaces. The influence of the substrate is reported in this study: using a copper vicinal surface as support for on-surface Ullmann coupling leads to highly ordered, quasi-infinite polymer growth. Such a new growth mechanism, stemming from vicinal surface reconstructions is observed. The structural composition of different phases obtained in the study is discussed as a concomitant effect of the halogen and the surface geometry. Various interactions such as substrate/molecule, substrate/halogen, molecule/halogen as well as molecule/molecule interactions that took place into the polymerization mechanism are considered for analyzing the electronic properties of the different interfaces. We measured an 1.15 eV HOMO-LUMO gap in dBB/Cu(110), whereas the gap is found to be slightly higher than 1.5eV in dBB/Cu(111) and equal to 2.2eV in dBB/Cu(775). Such a metal-semiconductor transition is shown to occur when the halogen is switched (Br vs I) or the surface geometry is changed (Cu(110) vs Cu(775)) in agreement with the concomitant reduction of the polymer/substrate interaction

Les propriétés structurales et électroniques de films ultra-minces d'alcalins (K,Cs) déposés sur un substrat de Si(111)-v3´v3R30:B ont été étudiés par diffraction d'électrons lents (LEED), spectroscopie Auger, microscopie à effet tunnel (STM) et photoemission (ARPES, XPS). Un état de surface de symétrie s-pz a été mis en évidence par photoémission résolue en angle celui-ci présentant un maximum au taux optimal. Le site d'adsorption H3 a été identifié par IV-LEED en accord avec les prédictions théoriques. Nos mesures ARPES mettent en évidence un repliement de la bande de surface, son caractère fortement isolant ainsi qu'une largeur de bande très étroite. Dans le cas des dépôts de Césium, le gap est cependant réduit et il apparaît du poids spectral au niveau de Fermi. Ces résultats sont a priori en accord avec le caractère corrélé de ces états, ceux-ci ayant été définis initialement comme des isolants de Mott. Cependant, nous mettons en évidence dans ce travail une nouvelle reconstruction 2v3´2v3 caractérisée par un quadruplement de la maille de surface et associée à un gain d'énergie des électrons participant à l'état de surface. De plus, la dépendance en température des spectres de photoémission suggèrent un fort élargissement Franck-Condon associé à un fort couplage électron-phonon. L'étude des raies de cœur par photoémission haute résolution sur la ligne CASSIOPEE (synchrotron SOLEIL) nous a permis de mettre en évidence un ordre de charge à la surface pour les deux types de reconstruction observées en LEED. Tous nos résultats expérimentaux indiquent un fort couplage avec le réseau des électrons de l'état de surface induit par les alcalins ce qui n'a jamais été reporté auparavant ni fait l'objet de prédictions. Un scénario basé sur l'établissement d'une onde de densité de charge à la surface dans la limite d'un fort couplage électron-phonon est proposé. IL est proposé que la limite de l'isolant bi-polaronique soit atteinte dans le cas des couches ultra-minces d'alcalins/Si(111) offrant ainsi la possibilité d'étudier le comportement des électrons fortement couplés au réseau en présence de corrélations électroniques sur un réseau triangulaire. / Low energy electron diffraction (LEED), Auger spectroscopy, scanning tunneling microscopy (STM) and angle-resolved photoemission (ARPES) have been used to study ultrathin films of alkali atoms deposited on Si(111)-v3´v3R30:B surface. An alkali-induced surface state of s-pz symmetry has been evidenced by photoemission being maximum close to the saturation coverage of 1/3 monolayer. A quantitative IV-LEED study evidences the H3 alkali adsorption site as predicted by ab initio calculations. High resolution ARPES data presented in this work evidence a band-folding, a large alkali-dependent semi-conducting gap and a narrow bandwidth. The Cs- induced surface band is shown to present a smaller gap together with a non-zero spectral weight at the Fermi level. These results are a priori consistent with the correlated nature of these materials, the Harrison criterion U/W>>1 being fulfilled for these half-filled surface bands. Moreover, a novel 2v3´2v3 lattice and charge ordering has been discovered below 300 K characterized by a quadrupling of the unit cell and a net energy gain for the surface band. In addition, the temperature dependence of the ARPES spectra suggests these materials are characterized by a strong electron-phonon coupling. High resolution core-levels photoemission spectroscopy recorded at the CASSIOPEE beamline (synchrotron SOLEIL) evidence a local charge ordering at surface in both phases. The corresponding band mapping agree well with the 2(v3´v3) symmetry also for both phases. All these experimental results sign a strong interplay between the charge and lattice degrees of freedom which have never been predicted for these semiconducting surfaces. Therefore, a scenario assuming a charge density wave at surface in the strong electron-phonon coupling limit is proposed. As a striking point, the bi-polaronic insulating ground state is proposed to be reached making these alkali/Si(111) semi-conducting surfaces model systems to study polaronic signatures on the physical properties of low dimensional strongly correlated materials.

Dans ce travail de thèse, nous illustrons la pertinence de la technique de photoémission pour l'étude des propriétés électroniques des matériaux. Dans la première partie, nous détaillons le développement et la phase de tests d'un nouveau bâti expérimental composé d'une chambre d'épitaxie par jets moléculaires (MBE) ainsi que d'une chambre de photoémission résolue en angle et en spin (SR-ARPES), connecté au tube Daum à l'Institut Jean Lamour. Les hautes performances de ce nouveau dispositif sont d'une part évaluées par une série de mesures expérimentales sur un système connu de la littérature (état de Shockley à la surface de l'Au(111)), et d'autre part illustrées par l'analyse de matériaux originaux (isolants topologiques, effet Kondo moléculaire …). Les valeurs de résolution en énergie sont inférieures à 2 meV et 300 meV pour la photoémission utilisant les rayonnements UV (UPS) et X (XPS) respectivement. La résolution angulaire est quant à elle meilleure que 0,2° et la température minimale atteignable est de 8,7 K. Finalement, des premières mesures de SR-ARPES ont démontré la capacité de ce nouveau bâti à mesurer les détails les plus fins de la structure de bandes polarisée en spin, se rapprochant ainsi de l'état de l'art dans le domaine. Ce nouveau dispositif est donc pleinement opérationnel. La seconde partie est consacrée à l'étude d'un oxyde de silicium ultra-mince bidimensionnel (2D) à la surface d'un substrat monocristallin de Ru(0001). Nous étudions tous les stades de croissance en partant du substrat nu de Ru(0001) jusqu'à une bicouche cristalline de cet oxyde, par XPS haute résolution (rayonnement synchrotron) et photoémission résolue en angle (ARPES). Nous confirmons la structure atomique établie dans la littérature pour ce système à la monocouche, avec en particulier l'existence de deux types de liaisons inéquivalentes Si-O-Ru révélées par des mesures inédites d’XPS haute résolution au niveau de la raie de cœur de l'O1s. En outre, nos mesures ARPES mettent en évidence l'existence d'états dispersifs bidimensionnels propres à ce matériau 2D. Alors que la monocouche est fortement connectée au substrat de ruthénium (liaisons covalentes), la bicouche en est déconnectée (liaisons de van der Waals). Notre étude confirme l'existence d’une telle transition avec des signatures claires à la fois en XPS et en ARPES, démontrant notamment la disparition des liaisons Si-O-Ru. Nous démontrons également la robustesse de ce système, qui une fois cristallisé peut être remis à l'air sans modifications majeures de ses propriétés électroniques, lui donnant ainsi un fort potentiel de fonctionnalisation (par exemple au sein d'hétérostructures 2D complexes comme couche isolante). Finalement, dans une troisième partie nous nous intéressons aux aspects théoriques de la photoémission résolue en angle. Alors que la structure de bandes est périodique dans l'espace réciproque, ce n'est pas le cas de l'intensité de photoémission, qui peut présenter des variations complexes dépendant de nombreux paramètres. Ces aspects sont généralement mal compris par les expérimentateurs. Nous présentons ici un modèle simple récemment proposé qui s'inscrit dans une description en trois étapes du processus de photoémission, et qui permet d'évaluer les éléments de matrice à un électron. Ces éléments de matrice représentent l'ingrédient essentiel permettant de comprendre la répartition du poids spectral en photoémission. Nous démontrons que dans ce modèle ils sont proportionnels à la transformée de Fourier de l'état de Wannier du système considéré, ainsi qu'à un terme de polarisation contenant les effets géométriques inhérents à toute expérience de photoémission. Nous appliquons alors cette approche à des systèmes physiques comme le graphène, ou encore au cas de mesures de dichroïsme circulaire réalisées au niveau des états d et de l'état de Shockley d'un monocristal de Cu(111), mettant ainsi en évidence ses succès et ses limitations / In this work, we highlight the relevance of photoemission spectroscopy for investigating the electronic properties of materials. In the first part, we tackle the development and the test phase of a new experimental setup which is composed of a molecular beam epitaxy (MBE) and a spin and angle resolved photoemission (SR-ARPES) chambers, connected to the tube at the Institut Jean Lamour. The high performances of this new setup are evaluated. On one hand by measuring well known system from the litterature (Shockley state at the Au(111) surface) and on the other hand by studying materials with novel properties (topological insulators, molecular Kondo effect …). Energy resolution is better than 2 meV for UV photoemission (UPS) and 300 meV for X-ray photoemission (XPS). We also have an angular resolution better than 0.2° and a lowest sample temperature of 8.7 K. Finally, first SR-ARPES measurements demonstrate the ability of this new installation to measure finest details of the spin polarized band structure. In short, this new setup is fully operationnal. The second part is dedicated to the study of a two dimensionnal (2D) ultra thin silicon oxide at the surface of a cristalline Ru(0001) substrate. Both growth and electronic properties are studied by high resolution XPS and ARPES. We confirm the structural model accepted for the system in the litterature for the monolayer case. In particular we confirm the existence of two inequivalent Si-O-Ru bonds with unprecedented high resolution XPS measurements on the O1s core level. In addition, our ARPES measurements highlight new dispersives states with 2D character which are unambiguously attributed to this oxide. While the monolayer is strongly connected to the ruthenium substrate (covalent bonds), the bilayer is disconnected from this latter one (van der Waals). Our work confirms the existence of such a transition with unambiguous signatures both in XPS and ARPES, in particular with the breaking of Si-O-Ru bonds. We also demonstrate the robustness of this system which, after being cristallised, can go to atmosphere without fundamental modification of his electronic properties. That gives a lot of potential applications to this 2D cristalline oxide, which could play in the futur the role of a wide band gap insulator in 2D heterostructures. In the last part, we focus on the theoretical aspects of photoemission. While band structure is periodic in the reciprocal space, it is not the case of photoemission intensity which can depend on a lot of parameters. We are motivated by the fact that these considerations are generally not well understood by experimentalists. Here, we present a simple model recently proposed in the three step approach of the photoemission process. With this model we can evaluate the one-electron matrix elements which play a key role to understand the variations of spectral weight in photoemission. In this approach, one-electron matrix elements are proportionnal to both Fourier transform of the Wannier state of the system and to a polarization term. We apply this model to « real » systems, in particular to graphene and to circular dichroism measurements on Cu(111) sample, highlighting sucess and limitations of this model