Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent de l’optimisation du procédé de dépôt de couches minces sur un fil d’acier inoxydable en mouvement. Deux magnétrons cylindriques inversés (ICM) sont utilisés pour étudier différents aspects de la pulvérisation cathodique. Dans un premier temps, un modèle analytique permettant l’évaluation des contributions thermiques à l’échauffement du substrat est confronté à des séries de mesures. Les résultats obtenus sont concluants mais souffrent de l’inhomogénéité du champ magnétique, lequel est à l’origine de pertes localisées d’électrons secondaires de haute énergie. Afin de limiter la contribution thermique des charges sur le substrat, des anodes auxiliaires, destinées à récupérer le flux d’énergie, sont ajoutées à chaque extrémité des magnétrons. Leur influence sur la distribution du plasma, sur la microstructure et sur la composition chimique des dépôts est alors discutée. Dans une seconde partie, l’étude des magnétrons lors de dépôts réactifs met en avant la nécessité d’homogénéiser le champ magnétique dans les cathodes. Une discussion est alors conduite sur l’influence du champ magnétique sur la distribution des vitesses de dépôt au sein des magnétrons et un modèle analytique, ayant pour but de reproduire les profils de dépôt, est développé sur la base des résultats obtenus. Une étude paramétrique (pression, distance cible – substrat, intensité du champ magnétique) est aussi réalisée afin de déterminer les conditions de dépôt optimales dans un ICM. Finalement, de la modélisation par éléments finis à l’aide d’un logiciel commercial vient clore le manuscrit. / The work presented in this manuscript deals with the optimization of the process of deposition of thin films on a moving stainless steel wire. Two inverted cylindrical magnetrons (ICMs) are used to study different aspects of sputtering. At first, an analytical model allowing the evaluation of the thermal contributions to the heating of the substrate is confronted with series of measurements. The results obtained are conclusive but suffer from the inhomogeneity of the magnetic field, which is responsible for the localized loss of high energy secondary electrons. In order to limit the thermal contribution of the charges on the substrate, auxiliary anodes designed to recover the energy flow, are added to each end of the magnetrons. Their influence on the plasma distribution, the microstructure and the chemical composition of the coatings is then discussed. In a second part, the study of reactive sputter deposition with ICMs highlights the need to homogenize the magnetic field in the cathodes. A discussion is then conducted on the influence of the magnetic field on the distribution of deposition rates within the magnetrons and an analytical model, aimed at reproducing the deposition profiles, is developed on the basis of the results obtained. A parametric study (pressure, target – substrate distance, magnetic field strength) is also performed to determine optimal deposition conditions in an ICM. Finally, finite element modeling using commercial software closes the manuscript.

Ces travaux de thèse ont pour but de développer des cellules photovoltaïques à base de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) sur des substrats métalliques. L'objectif principal consiste à résoudre les différentes problématiques liées à l'utilisation de ces substrats (Ti et acier inoxydable) en s'appuyant sur une adaptation de l'électrode arrière. L'étude est focalisée sur l'élaboration de contacts arrière en Mo par pulvérisation cathodique. Dans un premier temps, des contacts arrières en monocouches et en bicouches sont comparés, démontrant les intérêts des structures en bicouches. Ces dernières sont obtenues en utilisant successivement deux pressions différentes pendant le dépôt du contact arrière. Nous montrons que la pression utilisée pendant le dépôt de la couche inférieure influe sur la morphologie de la couche supérieure. Il en résulte des modifications de l'orientation cristalline du CIGS et des performances photovoltaïques. Dans une seconde étude, la couche inférieure est déposée à partir d'une cible de molybdène contenant du sodium (Mo:Na) afin d'apporter du Na dans le CIGS. Les différences entre le Mo et le Mo:Na sont d'abord étudiées. Nous montrons ensuite que la diffusion du sodium vers le CIGS dépend de la pression de dépôt de la couche de Mo:Na. Dans le cas de substrats en Ti, des rendements équivalents aux substrats en verre sodo-calcique sont obtenus en utilisant le molybdène dopé au sodium. Nous montrons aussi qu'en présence de sodium, l'effet de la pression de dépôt de la couche inférieure sur les performances est minimisé. / This PhD work is focused on the development of Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) solar cells on metallic substrates. The main goal is to fix various issues related to the replacement of the standard soda-lime glass substrates by metallic substrates (Ti and stainless steel foils), through optimizing and functionalizing of the back contact. Thus, the study is focused on the development of DC-sputtered Mo back contacts. First, monolayer-based and bilayer-based back contacts are compared, demonstrating the interests of the bilayers. The latter are obtained by successively using two different deposition pressures during the DC-sputtering of the back contact. We show that the deposition pressure of the bottom layer of the back contact influences the morphology of the top layer. This leads to changes in the cristallographic properties of the CIGS and in the global device performance. In a second study, the bottom layer is deposited using a Na-doped Mo sputtering target (Mo:Na), in order to use the back contact as a sodium precursor for the CIGS. The differences between the sputtered Mo and Mo:Na layers are first studied. Then, we show that sodium diffusion depends on the deposition pressure of the Mo:Na layer. On Ti substrates, conversion efficiencies as high as on the glass substrates were reached using the Mo:Na layers. It is also shown that when sodium is present, the effect of the deposition pressure of the bottom layer on the device performance is reduced.

La miniaturisation des appareils électroniques et la multiplication de leur fonctionnalités explique l’intérêt croissant porté aux microsources d’énergie telles que les microbatteries au lithium. Ces dernières sont principalement conçues pour une utilisation rechargeable, mais des systèmes non rechargeables peuvent également êtes envisagés pour certaines applications. Actuellement, la principale limitation de ces systèmes est leur capacité surfacique, n’excédant pas 200 µAh.cm-2. Afin d’obtenir une forte capacité surfacique, nous nous sommes intéressés à CuO, un matériau réagissant avec le lithium suivant un mécanisme de conversion, et présentant une capacité volumique théorique élevée (425 µAh .cm-2.µm-1). Des couches minces de CuO ont ainsi été préparées par pulvérisation radiofréquence à cathode magnétron sous atmosphère réactive (Ar + O2). L’influence des paramètres de dépôts (concentration d’oxygène, pression totale, température des substrats, distance cible-substrat, configuration de la cible) sur leurs propriétés chimiques, morphologiques et structurales a été étudiée. Ces dernières ont également été corrélées à leurs performances électrochimiques, obtenues avec un électrolyte liquide ou un électrolyte solide. / The miniaturization of electronic components and their increasing number of functionalities induce a great interest for energy microsources such as thin films batteries. There are mainly developed for secondary systems, even if primary systems are also convenient for some applications. Currently, the main limitation is their specific capacity which does not exceed 200 µAh.cm 2.µm 1. In order to get a system having a high surfacic capacity, we focused on CuO, which react with lithium according to a conversion mechanism and exhibit a large theoretical capacity (425 µAh .cm-2.µm-1). CuO thin films were prepared by radiofrequency magnetron sputtering in a reactive mixture (Ar + O2). The influence of some deposition parameters (oxygen concentration, total pressure, substrate-target distance, the intentional heating or not of the substrates, target configuration) on their chemical, morphological and structural properties were investigated. The latter were also linked to their electrochemical performances, obtained with a liquid electrolyte or a solid electrolyte.

Les semiconducteurs III–V sont des matériaux de choix pour la production d’électricité ou pour l’éclairage. En revanche, ce sont des matériaux difficiles à mettre en œuvre sous la forme de couches minces bidimensionnelles par hétéro-épitaxie en raison des forts écarts de paramètres de mailles et de coefficient d’expansion thermique avec les substrats. Il en résulte notamment de nombreuses dislocations très préjudiciables pour les propriétés de ces semiconducteurs. Une manière pour réduire cette quantité de défauts est d'utiliser le semiconducteur sous la forme de nanostructures, telles que les nanofils.Nous démontrons dans cette thèse de doctorat qu’un film polycristallin de silicium, s’il est doté d’une texture de fibre [111], est un candidat de choix pour jouer le rôle de substrat couche mince pour la croissance épitaxiale de nanofils orientés, sur un support amorphe. Un tel film peut être obtenu à grande échelle par cristallisation du silicium amorphe induite par l’aluminium. L’utilisation d’une couche très mince (moins de 10 nm) permet alors de profiter avantageusement des propriétés optiques du substrat.Pour de nombreuses applications, il peut être profitable de pouvoir localiser les nanofils selon un schéma prédéfini. Nous démontrons que cet objectif peut être réalisé grâce à l’emploi de plaquettes monocristallines de Si de quelques dizaines de nanomètres de diamètre. La cristallisation de ces véritables nano-substrats est tout d’abord étudiée en détails afin d’élaborer une recette robuste de fabrication. Dans un second temps, nous démontrons le concept de croissance de nanofils sur ces minces cristaux lithographiés. / III–V semiconductors are materials of interest for energy production and lighting. However, these materials are difficult to grow by heteroepitaxy because of their lattice and thermal expansion coefficient mismatches with substrates. The resulting dislocations are extremely detrimental to their electronic properties. Nanostructures like nanowires relax efficiently the strain, thanks to their lateral free surfaces. Thus, they improve the material quality compared to planar thin films.In this PhD thesis, we demonstrate that a [111] fiber-textured polycristalline silicon layer film can be an efficient thin film substrate for oriented nanowire growth on an amorphous support. Such a film can be obtained by using the aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. The optical and physical properties of the substrate are conserved by using a very thin Si layer (less than 10-nm thick).For many applications, organizing the nanowires in an array can be favorable. We demonstrate that this goal can be achieved by using small single crystal Si platelets (up to 100 nm in diameter). In a first time, the crystallization of these “nano-substrates” is comprehensively studied in order to define precise fabrication recipes. In a second time, we prove the concept of nanowire growth on these thin lithographed crystals.

Trois nouvelles phases cubiques riches en azote ont récemment été découvertes dans le système Fe-N. Les systèmes Fe-N et Fe-C possèdant des structures en commun, il peut être envisagé la formation de structures inédites dans le système Fe-N-C. Ces 3 systèmes sont explorés en élaborant dans un large domaine de composition des dépôts par pulvérisation cathodique et en les caractérisant par XEDS, SNMS, microsonde de Castaing, DRX, MET, EELS et MEB. Les films du système Fe-C riches en carbone possèdent une structure nanocomposite. Les films du système Fe-N riches en azote sont constitués des phases cubiques ?'' et ?''' et d’une phase non répertoriée appelée X. L’insertion de carbone entraîne la disparition de ces phases au profit des phases Fe2(N,C). Les nitrures ?'' et ?''' ont été isolés, ce qui a permis de déterminer la structure de ?''' et de caractériser leur microstructure, l'influence de l'oxygène, etc... L'existence d'un carbonitrure cubique ?'''-Fe(N,C) a été mise en évidence / Three nitrogen-rich new cubic phases were recently discovered in the Fe-N system. As the Fe?N and Fe-C systems have joint structures, it can be considered the formation of new structures in the Fe-N-C system. These three systems are explored by preparing, in a large field of composition, coatings by sputtering. The coatings were characterized structurally and chemically with the help of XEDS, SNMS, Castaing probe, XRD, TEM, EELS and SEM. The carbon-rich Fe-C coatings possess a nanocomposite structure. The nitrogen-rich Fe-N coatings rich are mixtures of the cubic ?'' and ?''' phases and of a no-referenced phase, called X. Carbon addition involves the disappearance of these phases to the profit of the Fe2(N,C) phases. The ?'' and ?''' nitrides were isolated, which made it possible to determine the structure of ?''', together with the characterization of their microstructure, the influence of oxygen … A cubic ?'''-Fe(N,C) carbonitride was highlighted

Le Ta₃N₅ fait partie des matériaux les plus prometteurs pour la photo-électrolyse de l’eau. En effet, la bande de valence et la bande de conduction sont situées autour du potentiel d’évolution de l’hydrogène et de l’oxygène et son petit gap (2.1eV) permet l’absorption d’une grande partie du spectre solaire. Par contre la synthèse de ce matériau est difficile à cause de la structure riche en azote (faible diffusion) et de l’état d’oxydation élevé du Ta (+5) dans le cristal de Ta₃N₅. Sa synthèse par pulvérisation cathodique est peu exploitée à ce jour, malgré que cette technique de dépôt permette d’augmenter le rapport ion-neutre arrivant sur le film en croissance et donc de fournir de l’énergie supplémentaire à la surface du film favorisant ainsi la cristallisation. Lors cette thèse, des couches minces de Ta₃N₅ ont été déposées par pulvérisation cathodique dans une atmosphère réactive. Il y est montré que la pulvérisation d’une cible de Ta produit des Ar rétrodiffusés avec des énergies élevées qui augmentent l’incorporation de défauts dans la couche lorsque la polarisation de la cible est élevée. Des films de Ta₃N₅ ont été déposés en mode continu ce qui a permis de maintenir une polarisation faible. Il a été mis en évidence que l’oxygène incorporé dans le cristal joue un rôle crucial pour la déposition du film de Ta₃N₅. De plus, l’oxygène influence fortement les propriétés des couches minces, notamment les propriétés optiques et électroniques. Un nouveau système, augmentant le flux d’ions vers le substrat, a été installé dans le réacteur de dépôt ce qui a augmenté le degré de cristallisation de la phase Ta₃N₅. Les connaissances acquises lors de cette thèse ont été utilisées pour préparer des photoanodes à partir de Ta₃N₅ et leur aptitude à décomposer l’eau sous l’illumination du soleil a été démontrée. / Ta₃N₅ is one of the most promising candidates for efficient water splitting using sunlight due to its band positions with respect to the oxygen and hydrogen evolution potentials and its small band gap of 2.1eV. Its synthesis, however, is challenging given its high content of nitrogen, with its low diffusivity, and the Ta metal atom in a high oxidation state. Few investigations into its synthesis by magnetron sputtering exist to date although this technique offers the possibility of tuning the ion-to-neutral flux ratio onto the growing film. This can change the supply of energy onto its surface and therefore promote the crystallization. In this thesis, reactive magnetron sputtering is investigated for the preparation of Ta₃N₅ thin films. It is shown that sputtering of a Ta target in an Ar atmosphere produces energetic backscattered Ar neutrals at high target potentials. To keep the potential low, Ta₃N₅ is deposited by sputtering in DC mode. The growth of the Ta₃N₅ phase requires the incorporation of oxygen into the lattice. It is shown that optical and electronic properties of these samples vary strongly with the precise amount of oxygen in the thin film. Samples with a high degree of crystallinity are obtained by increasing the N₂⁺ flux onto the substrate by changing the form of the magnetic field of the magnetron. The highly crystalline samples prepared by this method are proven to work as photoanodes for the splitting of water under illumination.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une thèse Cifre, en partenariat avec la société VIESSMANN Faulquemont SAS, dont l'objectif est d'aboutir à une couche absorbante de nouvelle génération qui vise à réguler de manière passive et réversible la température d'un capteur solaire. Cette couche absorbante est à base de dioxyde de vanadium (VO2), un matériau thermochrome qui présente une transition de phases de type semi-conducteur/métal en fonction de la température. Dans un premier temps, l'élaboration de films de VO2 à 500°C sera présentée puis nous montrerons un procédé inédit et original permettant d'obtenir une phase pure VO2 à partir d'un dépôt effectué à température ambiante. L'étude en température des propriétés optiques et électriques de ces deux types de revêtements sera discutée ainsi que les effets sur la transition de phases de paramètres tels que, la taille de grains ou encore les contraintes internes. Enfin, nous étudierons les propriétés physiques du système biphasé du type VO2+V4O9 qui sous forme de couche absorbante se trouve, in fine, être très avantageux pour la régulation thermique d'un panneau solaire / This work is incorporated within the framework of a Cifre thesis with the partnership of the VIESSMANN Faulquemont SAS society to end in a new generation of absorbent layer in order to regulate the temperature of a solar cell in a passive and reversible way. This absorbent layer is based on vanadium dioxide (VO2), this thermochromic material exhibits a phase semiconductor to metal transition depending on its temperature. In a first step, the synthesis of VO2 films at 500 °C will be exposed and then we will present a new process to obtain a pure VO2 phase with a film deposited at room temperature. The study in temperature of the optical and electrical properties of these two kinds of coatings will be discussed, same as the effects on the phase transition of parameters such as the grain size or the internal stresses. Eventually, we will study the physical properties of a VO2+V4O9 two-phase system as an absorbent layer which is, in fine, very beneficial for the thermal regulation of a solar panel

Des films minces de silice enrichies en nano-grains de silicium (ng-Si) dopées aux ions Nd3+ ont été déposées par pulvérisation magnétron réactive. Leurs propriétés de photoluminescence ont été étudiées en fonction de la composition. La formation d'agglomérats de Nd2O3 aux fortes concentrations en Nd3+ diminue la PL. l'influence de la temperature et de la composition sur les chronogrammes de temps de vie des ions Nd3+ a ete etudiee. On a démontre l'existence de deux temps de vie. La composante rapide a été attribuée aux agglomérats de Nd2O3 et la composante lente aux ions Nd3+ libres.

Les matériaux de couverture des réacteurs à fusion nucléaire par confinement magnétique subissent un environnement agressif ; le flux intense de particules extraites du plasma attaque les parois du réacteur, engendrant la pulvérisation de la matière en surface. Cette pulvérisation est à l'origine de l'érosion des parois mais aussi de la pollution du plasma, ainsi, afin de maitriser la réaction de fusion dans des réacteurs de plus en plus complexes, il est impératif de bien comprendre les phénomènes d'interaction plasma-paroi. Cette thèse a pour but l'étude de la pulvérisation des matériaux des réacteurs de fusion nucléaire (carbone et tungstène), pour cela nous proposons de simuler le flux de particules chargées du plasma par des faisceaux d'ions monochargés d'énergies inférieures à la dizaine de keV. Cette étude est basée sur la méthode du collecteur, aussi afin de s'affranchir des problèmes liés aux polluants (notamment pour l'étude du carbone), nous avons conçu et réalisé un nouveau dispositif permettant l'analyse des collecteurs in situ par spectroscopie des électrons Auger. Les résultats obtenus donnent accès à l'évolution de la distribution angulaire en fonction des paramètres d'irradiation comme la masse du projectile (de hélium au xénon) ou l'énergie (de 3 keV à 9 keV).

Les microbatteries sont des microsources d’énergie adaptées à l’alimentation des microsystèmes tels que l’horloge à temps réel des téléphones portables, les étiquettes intelligentes RFID…. Pour pouvoir être considéré comme un composant classique de la microélectronique, la microbatterie doit être compatible avec le processus de soudure de type solder-reflow qui atteint une température de 260 °C pendant quelques secondes. Au cours de cette thèse, nous nous sommes focalisés sur l’étude de couches minces de LiPON (oxynitrure de phosphate de lithium) utilisé comme électrolyte solide qui est le matériau limitant pour une application à basse température en établissant des relations entre sa composition, sa structure et ses performances électriques. Ayant observé une baisse des performances après traitement thermique, nous avons proposé un matériau présentant une meilleure stabilité. Nous avons également étudié la compatibilité des autres couches ainsi que l’empilement complet de la microbatterie vis-à-vis du solder-reflow. / Microbatteries are energy sources well-adapted to power microsystems such as the real time clock of mobile phones, smart tags RFID. To be considered as a microelectronic component, the microbattery must be compatible with the solder-reflow process which reaches a temperature of 260 °C during few seconds. During this Ph-D, various thin films of LiPON (lithium phosphate oxynitride) used as amorphous solid electrolyte have been prepared by sputtering. As this material presents limited performances for an application of the microbattery at low temperature, we have investigated the influence of its composition and local structure on its electrical performances. In addition, a decrease of its performances has been noticed after solder-reflow. In this work, we have proposed a new material, much more thermally stable. Finally, we have studied the compatibility of other active layers as well as the all-solid-state microbattery towards the solder-reflow.