This thesis deals with the investigations on the atomic composition, chemical surface states and microstructural features of barium titanate and other electronic ceramics namely barium polytitantes, calcium manganites and magnesium calcium titanate by surface analytical techniques. After presenting a brief introduction on the ceramic materials studied in terms of their crystal structures, electrical properties, nonstoichiometry and interfacial characteristics, the thesis describes the synthesis of the ceramics and the methodology of the different surface analytical techniques utilized such as backscattering spectrometry (BS), an ion beam analysis (IBA) technique, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The XPS investigations on the chemical surface states of polycrystalline barium titanate having well-defined electrical characteristics reveal the prevalence of Ba in two distinct chemical environments : the one corresponding to the lower binding energy is related to the dielectric while the other having higher binding energy is correlated to semiconducting properties of the ceramics. Processes such as abrasion or polishing make the surfaces more reactive and susceptible to atmospheric contamination. Sputter cleaning causes surface modification leading to changes in the Ba (3d) and Ti (2p) spectra. Studies on the surface atomic composition by BS and microstructural features of doped barium titanate ceramics reveal their interfacial characteristics in terms segregation of dopants or metal ion constituents. Surfaces of these ceramics exhibit cationic as well as anionic nonstoichiometry depending on the processing steps involved. Ceramics synthesized by oxalate precursor route are Ti-rich while those prepared by gel-to-crystallite method are Ba-rich. These are correlated to the chemical processes and background impurities which in turn control the microstructures. Barium titanate substitued with > 1 at. % Mn are deficient in oxygen and exist as the hexagonal polymorph. Acceptors segregate at the grain boundaries accompanied by the enrichment of Ti leading to PTCR or GBLC characteristics. The oxygen nonstoichiometry prevailing in the surface regions of differently processed calcium manganites is investigated by way of depth profile measurements involving 16O(a,a) 16O resonant scattering. These studies reveal extensive compositional heterogeneity across the surface layers particularly in the manganite specimens annealed in lower po2 leading to the stabilization of brownmillerite phase. Two of the microwave dielectric ceramics namely dibarium nona-titanate and barium tetra-titanate with suitable variations in Ba:Ti ratios have been synthesized by the carbonate-gel precipitation. The corresponding dense ceramics have high permittivity (~ 52) and low temperature coefficient of permittivity (TCK ~ 5 ppm /0C). Extensive miscibility between the ilmenite-type MgTiO3 and perovskite-type CaTiO3 over a wide compositional range is brought about by the simultaneous equivalent substitution of Al3+ + La3+. The resulting (Mg1-(x+y)CaxLay)(Ti1-yAly)O3 ceramics exhibit improved microwave dielectric properties by way of high permittivity, low TCK and high quality factor. The microarea elemental distribution and chemical surface state studies reveal the complexity in the Mg/Ca distribution and its correlation with the solid state miscibility as well as dielectric properties. The discontinuous changes in the local site symmetry of the cationic substituents in these ceramics have been investigated by the photoluminescence spectra using Pr3+ as the emission probe.

Les matériaux ferroélectriques non-linéaires à faibles pertes diélectriques présentent une permittivité ajustable sous champ électrique qui les destine à des applications de composants agiles hyperfréquences pour la microélectronique et les télécommunications (condensateurs et résonateurs accordables, déphaseurs, ...). Les performances requises - pertes diélectriques faibles, permittivité modérée, accordabilité maximale, stabilité thermique jusqu'aux hyperfréquences - imposent d'améliorer le matériau de base Ba0.6Sr0.4TiO3 (BST). Les céramiques élaborées à partir de BST et d'une phase à faibles pertes non-ferroélectrique telle MgO, MgTiO3, mais aussi les compositions inédites avec SnO2 et BaSnO3, sont caractérisées par des analyses physico-chimiques et électriques. Afin de réduire de manière significative les pertes diélectriques, de nouveaux composites à architecture contrôlée (coeur/écorce notamment BST@SiO2) sont développés par des procédés innovants de synthèse en chimie douce. Les essais de faisabilité et leurs propriétés électriques inédites ouvrent la voie à de nombreuses possibilités de maîtrise de l'agencement des phases dans les matériaux composites ferroélectriques.

Numerous organisms produce ornately detailed inorganic structures (often known as shells) with features on length scales from the nanoscale to the microscale. One organism, commonly referred to as a diatom, originates from algae and is found throughout the oceans on Earth. These diatoms possess skeletal structures, frustules, made from silicon dioxide. This chemical makeup limits the number of possible applications for which these structures can be used. Using a series of gas displacement reactions, these frustules can be converted to other useful materials, such as magnesium oxide and titanium dioxide, while maintaining the features of the frustule template. In the current research, silicon dioxide frustules were converted to titanium dioxide replicas using method previously devised by our group. The titanium dioxide replicas were subjected to a hydrothermal reaction by exposing the replicas to an aqueous basic solution containing barium hydroxide to form barium titanate and barium strontium titanate replicas. The effects of reaction temperature, time, and solution composition on extent of conversion were examined. The conventional method of converting titanium dioxide to barium titanate, using a convection heating oven, was compared with a microwave assisted heating method to study the advantages of using microwave heating over convection heating.

With the digital systems moving towards higher frequencies, lower operating voltages and higher power, supplying the required current at the right voltage and at the right time to facilitate timely switching of the CMOS circuits becomes increasingly challenging. The board level power supply cannot meet these requirements directly due to the high inductance of the package interconnections. To overcome this problem, several thin film decoupling capacitors have to be placed on the IC or close to the IC in the package. Two approaches were pursued for high-k thin film decoupling capacitors. 1) Low cost sol-gel based thin film capacitors on organic board compatible Cu-foils 2) RF-sputtered thin film capacitors on silicon substrate for silicon compatible processes While sol-gel provides cost effective technology, sputtered ferroelectric devices are more compatible from manufacturing stand point with the existing technology. Nano-crystalline barium titanate and barium strontium titanate film capacitor devices were fabricated and characterized for organic and silicon substrates respectively. Sol-gel barium titanate films were fabricated first on a bare Cu-foil and then transferred to organic board through a standard lamination process. With process optimization and film doping, a capacitance density of 3 µF/cm2 was demonstrated with breakdown voltage greater than 12V. Leakage current characteristics, breakdown voltages, and electrical reliability of the devices were significantly improved through doping of the barium titanate films and modified film chemistry. Films and interfaces were characterized with high resolution electron microscopy, SEM, XRD, and DC leakage measurements. RF sputtering was selected for ferroelectric thin film integration on silicon substrate. Barium strontium titanate (BST) films were deposited on various electrodes sputtered on silicon substrates. The main focus was to improve interface stabilities for high-k thin films on Si to yield large-area defect-free devices. Effect of bottom electrode selection and barrier layers on device yield and performance were investigated carefully. High yield and high device performance was observed for certain electrode and barrier layer combination. A capacitance density up to 1 µF/cm2 was demonstrated with a breakdown voltage above 15 V on large area, 7 mm2, devices. These two techniques can potentially meet mid-high frequency future decoupling requirements.

L’objectif de cette thèse est d’élaborer des nanohybrides à base des nanotubes de titanate (TiONts) dans le but de les utiliser comme nanovecteurs d’une molécule thérapeutique : un phénol stilbénique, le 4’ hydroxy 4 (3 aminopropoxy)-trans-stilbène (HAPtS), structurellement proche du trans-resvératrol.Les TiONts sont synthétisés par traitement hydrothermal à partir du dioxyde de titane sous sa forme rutile. Deux méthodes de synthèse hydrothermale (statique et dynamique) ont été étudiées. La deuxième méthode est originale car elle utilise un réacteur conduisant à une agitation mécanique forte par balancement où le temps d’agitation par heure de traitement peut-être contrôlé. Une étude paramétrique a été menée pour évaluer l’impact de la durée de traitement, de la température et du temps d’agitation appliqué par heure sur la morphologie des structures obtenues. Il a été montré que l’agitation par balancement, appliquée durant la synthèse, a un effet accélérateur sur la cinétique de formation des TiONts en mode dynamique. Par optimisation des paramètres de synthèse, il a été possible de réduire la durée de la synthèse des TiONts à 2h seulement, au lieu de 48 h en méthode statique. Des discussions sur la structure cristalline, le mécanisme de formation des TiONts et leur transformation en nanorubans ont également été développées en se basant sur différentes techniques de caractérisations (DRX, MET, ATG, XPS, spectroscopies UV visible, IR et Raman). La morphologie spéciale des TiONts, en spirale (diamètre externe de 10 nm, diamètre interne de 4 nm avec une longueur moyenne d’environ 190 nm) et multicouches (3 à 5 couches) leur confère une surface spécifique élevée (> 200 m²/g).Différentes préfonctionnalisations des TiONts par des ligands organiques biocompatibles ont été effectuées pour améliorer la stabilité des TiONts en suspension et greffer à leur surface des groupements fonctionnels réactifs. Les ligands étudiées sont : deux catéchols, le DHCA et la L-DOPA, l’acide citrique et deux organosilanes, l’APTES et le CPTES. Les paramètres optimaux de greffage ont été déterminés et la présence de liens covalents entre ces ligands et les TiONts ont été établis, principalement par XPS et IR.Après préfonctionnalisation avec le CPTES, le greffage du phénol stilbénique (HAPtS) a été un succès. Cette molécule a été accrochée à la surface des TiONts-CPTES par une réaction de condensation entre le HAPtS et le CPTES par substitution nucléophile et a conduit à un taux de greffage d’environ 20 mg/g de TiONts.Enfin, l’une des originalités de ce travail a consisté à améliorer la biocompatibilité des TiONts, à travers la modification de leur surface par un polymère naturel, le chitosan (CT). Ce dernier a été greffé à la surface des nanotubes par deux méthodes différentes via des liaisons covalentes (greffage étape par étape mettant en œuvre de l’APTES puis du glutaraldehyde) ou via des interactions électrostatiques (adsorption). Après comparaison entre les deux approches, les premiers tests d’évaluation de la toxicité, in vitro (test de cinétique de synthèse des ARN et test du rouge neutre) et in vivo (embryons de poisson zèbre), ont été réalisés et les résultats ont confirmé la biocompatibilité des nanohybrides synthétisés avec les systèmes biologiques. Une étude de la stabilité colloïdale des TiONts-CT dans différents milieux mimant des milieux biologiques a également été menée.Mots clés : Nanotubes de titanate, synthèse hydrothermale dynamique, nanovecteurs, nanohybrides, stabilité colloïdale, fonctionnalisation, greffage, ligands organiques, catéchols, organosilanes, phénol stilbénique, chitosan, biocompatibilité. / The aim of this PhD thesis is to develop new nanohybrids based on titanate nanotubes (TiONts) in order to use them as nanocarrier of a therapeutic molecule: a stilbene phenol, 4'-hydroxy-4-(3-aminopropoxy)-trans-stilbene (HAPtS), which is a transresveratrol derivative.TiONts are synthesized by a hydrothermal treatment from a precursor of rutile titanium dioxide. Two methods of hydrothermal synthesis have been studied (the static and dynamic ones): the second approach uses an original hydrothermal device which provides a vigorous mechanical stirring during the hydrothermal process with controllable stirring time par hour. A parametric study was carried out to evaluate the effect of reaction time, temperature and stirring time during the hydrothermal treatment on the morphology of the obtained products. It has been proved that the mechanical stirring has a great accelerating effect on the kinetics of the TiONts formation during the dynamic hydrothermal synthesis. After optimization of the experimental parameters of the dynamic hydrothermal treatment, it was possible to reduce the time of TiONts synthesis to only 2 hours, instead of 48 hours obtained by the static method. Discussions about the crystal structure of TiONts, about their formation mechanism and their transformation into nanoribbons have been also developed based on different characterization techniques (XRD, TEM, TGA, XPS, UV visible, IR and Raman spectroscopies). Their special hollow morphology (10 nm in outer diameter, inner diameter of 4 nm, average length of about 190 nm) and multilayered structure (3 to 5 layers) impart them a high specific surface area (>200 m²/g). Different prefunctionalizations of TiONts by biocompatible organic ligands have been carried out to improve their colloidal stability and to graft reactive functional groups on their surface. The studied ligands are: two catechols (DHCA and L-DOPA), citric acid and two organosilanes (APTES and CPTES). Optimal grafting parameters were determined and the presence of covalent bonds between these ligands and TiONts was highlighted especially by XPS and IR. After prefunctionalization with CPTES, the stilbenic phenol (HAPtS) was successfully grafted onto TiONts-CPTES surface using a condensation reaction between HAPtS and CPTES through nucleophilic substitution. The resulting grafting rate was of about 20 mg/g of TiONts. Finally, one of the originalities of this work was the improvement of TiONts biocompatibility by surface modification with a natural polymer, chitosan (CT). The latter was grafted by two different approaches via covalent bonds (step by step grafting using APTES then glutaraldehyde as two intermediate molecules) or via electrostatic interactions (adsorption). After comparing the two elaborated nanohybrids, obtained by the two grafting approaches, the first cytotoxicity assessment tests were carried out, in vitro (RNA synthesis test and neutral red test) and in vivo (zebrafish test), and the obtained results confirmed the biocompatibility of these nanohybrids towards biological systems. A colloidal stability study of TiONts-CT in various mimicked biological media was also carried out.Keywords: Titanate nanotubes, dynamic hydrothermal synthesis, nanocarriers, nanohybrids, colloidal stability, functionalization, grafting, organic ligands, catechols, organosilanes, stilbenic phenol, chitosan, biocompatibility.

Les biomatériaux en titane sont de plus en plus utilisés dans les implants dentaires et les prothèses de hanche. Toutefois, la surface des implants de titane doit être modifiée pour devenir davantage bioactive. Dans cette étude, les substrats de Ti-6Al-4V ont été d'abord modifiés par un traitement mécanique, puis par un traitement acide. Dans un deuxième temps, les échantillons ont subi un traitement alcalin dans une solution de NaOH puis un traitement thermique, ce qui a provoqué la formation d'une couche de titanate de sodium sur leur surface. Enfin, du phosphate de calcium a été déposé soit par voie sol-gel, soit par voie autocatalytique, sur la couche de titanate de sodium pour obtenir un revêtement bioactif de titanate de sodium/ phosphate de calcium.Après le dépôt, la morphologie et la structure de la couche de phosphate de calcium ont été analysées par diverses méthodes comme FTIR, Raman, ORX, MES, MET, EDS-X et SAED. De plus, la coupe transversale du revêtement de titanate de sodium/ phosphate de calcium a été analysée par MEB/ EDS-X. Et l'adhésion du dépôt de phosphate de calcium au substrat a été qualitativement estimée par nano-indenteur. La bioactivité in vitro du dépôt a été vérifiée par la méthode de Kokubo utilisant la solution simulant le plasma sanguin (SBF). Et la cytotoxicité in vitro du dépôt a été vérifiée par le test de viabilité cellulaire utilisant les ostéoblastes MG63. Les résultats ont indiqué que le dépôt de phosphate de calcium est cytocompatible et bien lié au substrat. De plus, le dépôt de phosphate de calcium est stable en milieu physiologique (SBF) pour des durées d'immersion de 2 à 28 jours. La croissance d'apatite sur la surface des dépôts a été observée après 2 jours d'immersion dans SBF. / Titanium and its alloys based biomaterials are more and more used for medical implants in reconstructing of failed tissue. However to respond to the demand of orthopaedic and dental application, their surfaces have to be modified to increase the osteointegration rate. ln this study, the Ti-6Al-4V alloy surface was firstly mirror polished and treated by an acid solution. Then, a thin film of sodium titanate was formed on its surface via an alkaline-heat treatment. Finally, a calcium phosphate was coated on the sodium titanate layer by using the sol-gel technique or the autocatalytic route. By this process, a bi-phase bioactive sodium titanate/calcium phosphate layer was created on the titanium substrate.After coating, the morphology and the structure of calcium phosphate layer were analyzed by various methods such as FTIR, Raman, XRD, SEM, TEM, EDS-X and SAED. Additionally, a cross-section view of sodium titanate/ calcium phosphate layer was also realized by SEM/ EDS-X.And the adhesion of calcium phosphate layer onto the substrate was verified qualitatively by nano-indenter. The in vitro bioactivity of calcium phosphate coated samples was tested by Kokubo's method using the simulated body fluid (SBF). The in vitro cytotoxicity of calciumphosphate coated samples was estimated by cell viability assay using the osteoblasts MG63.The results showed that the calcium phosphate coating is cytocompatible and strongly bonds to the substrate. ln addition, the calcium phosphate coating was stable in SBF for different soaking periods from 2 to 28 days. And the growth of apatite on the calcium phosphate coated sample surface was identified after 2 days of immersion in SBF.

À la surface ou à l’interface d’un matériau ferroélectrique, la polarisation peut être déstabilisée voire même annulée par le champ dépolarisation qui résulte de charges de polarisation non compensées. En l’absence de mécanismes d’écrantage extrinsèques (adsorbats, électrodes) ou intrinsèques (défauts, dopants), l’ordonnancement en domaines est le moyen le plus naturel dont un système a recourt pour rester ferroélectrique et minimiser son énergie électrostatique. Cette thèse se concentre sur l’étude de la stabilité de multiples configurations en domaines, ainsi que de la façon dont elle dépend de facteurs géométriques, chimiques et élastiques, à la surface du BaTiO3(001).Des calculs ab initio, fondés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, ont été menés pour éclaircir l’influence de la terminaison de surface, de la contrainte parallèle à la surface, de l’épaisseur du système et de la taille des domaines sur la polarisation de différentes phases ferroélectriques dans des couches ultraminces. L’effet de lacunes d’oxygène en surface sur la polarisation et sur la structure électronique a aussi été étudié. La microscopie d’électrons lents (LEEM) et la microscopie d’électrons photoémis (PEEM) ont été utilisées pour étudier les propriétés de la polarisation à la surface de monocristaux de BaTiO3 réduit, afin d’examiner l’influence des lacunes d’oxygène sur la polarisation ferroélectrique par une approche expérimentale, renforçant ainsi les résultats de calculs. / At a surface or interface of a ferroelectric material, the polarization can be destabilized and even suppressed by the depolarizing field which arises from uncompensated polarization charge. In the absence of external (adsorbates, electrodes) or internal (defects, dopants) screening mechanisms, domain ordering is the most natural way for a system to remain ferroelectric and minimize its electrostatic energy. This thesis focuses on the study of the stability of various possible domain configurations, and on how it depends and interplays on size, chemical and elastic factors, at the (001) surface of BaTiO3.First-principles calculations, based on density functional theory, have been performed to enlighten the influence of surface terminations, in-plane strain, system thickness and domain size in ultrathin films on the polarization in different ferroelectric phases. The effect of surface oxygen vacancies on the polarization and electronic structure has also been investigated. Low Energy electron microscopy (LEEM) and photoemission electron microscopy (PEEM) have been used to study the surface properties of ferroelectric polarization in reduced BaTiO3 single crystals, allowing to address the influence of oxygen vacancies on the ferroelectric polarization from experimental approaches, supporting the calculations results.

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Das Konzept neuartiger, resistiv schaltender Langzeitspeicherzellen sieht eine enorme Erhöhung der Speicherdichte bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch und hoher Skalierbarkeit vor. In diesem Zusammenhang sind unterschiedlichste Übergangsmetalloxide Gegenstand der aktuellen Forschung, die zwischen Metallelektroden in einer Metall-Isolator-Metall-Struktur eingebettet sind. Ein anerkanntes Modell zur Klärung der lokalen Struktur innerhalb des Schaltmechanismus beschreibt die Änderung des resistiven Zustandes in der wechselnden Ausbildung und Auflösung eines leitfähigen Pfades in der Oxidschicht, der beide Elektroden miteinander verbindet. Die vorliegende Arbeit befasst sich auf dieser Grundlage mit der Untersuchung solcher Speicherzellen, wobei anhand der gewählten Elektrodenmaterialien Speichereffekte rein auf Änderungen im Oxid zurückzuführen sind. Die sich daraus ergebende Möglichkeit der gezielten Änderung des efekthaushaltes und des resistiven Schaltverhaltens der Oxidschichten durch deren Ausheizung oder Modifikation mittels Ionenimplantation stand im Fokus der Arbeit. Dementsprechend muss für eine genaue Lokalisierung des Schaltmechanismus die gewählte Oxidstruktur nicht nur genauestens bekannt, sondern auch möglichst rein sein. Zur Vereinigung all diese Faktoren wird das Modellsystem SrO-TiO2 mit den beiden Vertretern TiO2 und SrTiO3 untersucht, da seine Eigenschaften in der Literatur bereits rege diskutiert wurden. Zur Gewährleistung der Reinheit der Schichten wird die Herstellung der Isolatorschichten durch Atomlagenabscheidung eingesetzt und deren Optimierung, sowie Schichtcharakterisierung im ersten Teil der Arbeit vorgestellt. Mittels einer Vielzahl optischer und struktureller Analysemethoden lassen sich definierte Rückschlüsse über die Eigenschaften der Oxide ziehen. Sämtliche Veröffentlichungen zur Herstellung von SrTiO3 mittels Atomlagenabscheidung beziehen sich entweder auf eigens hergestellte Anlagensysteme oder Präkursormaterialien, wodurch die Schichten industriell nicht reproduzierbar sind. Eines der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit ermöglicht eben dies durch die erstmalige Kombination einer kommerziell erhältlichen Anlage mit kommerziellen Präkursormaterialien. Nach deren Optimierung werden die Oxidschichten zwischen den beiden Metallelektroden Au und TiN integriert und die daraus resultierenden Speicherzellen elektrisch charakterisiert. Es kann bipolares, nichtflüchtiges, resistives Schaltverhalten in amorphen und ex situ kristallisierten Oxiden nachgewiesen werden. Anhand von Struktur-Eigenschaft-Korrelationen gelingt es, die Leitungsmechanismen in den untersuchten Speicherzellen als Schottky-Emission und bei ausreichend hohen Spannungen als volumendominierte Poole-Frenkel-Emission zu charakterisieren. Bei den dafür notwendigen Defekten handelt es sich um flache Donatorzustände. Die Annahme des resistiven Schaltens über einen reversiblen leitfähigen Pfad basierend auf Defektzuständen wird durch die Änderung der Coulomb-Barrierenhöhe bei konstanter Schottky-Barrierenhöhe innerhalb derselben Mikrostruktur bestätigt. Besonders das untersuchte TiO2 amorpher Struktur mit Schalt- und Lesegeschwindigkeiten von wenigen Millisekunden, aber auch polykristallines SrTiO3 zeigen ein hohes Potential für deren zukünftige Anwendung auf dem Gebiet resistiv schaltender Speicherzellen. Durch Kr+-Ionenimplantation ändern sich nachweislich sowohl die elektrischen als auch die strukturellen Eigenschaften in TiO2 und SrTiO3. XRD-Messungen an polykristallinen TiO2-Schichten bestätigen die mittels SRIM durchgeführten Simulationsdaten und zeigen für Implantationen ausreichend hoher Fluenzen eine Amorphisierung der kristallinen Strukturen durch atomare Umverteilung im Oxid. Dadurch bilden sich zusätzlich intrinsische, tiefe Defektniveaus in den Oxidschichten, welche das resistive Schalten modifizieren. Die Implantation polykristalliner TiO2-Schichten führt nachweislich zur Umwandlung flüchtiger in nichtflüchtige Schaltkurven, die im Vergleich zu amorphen Ausgangsproben stabilere Widerstandswerte bei geringerem Energieaufwand zeigen. / The concept of novel, longterm resistive switching memories is based on an enormous increase of the storage density with a simultaneous low energy consumption and a high scalability. In this context, different transition metal oxides, which are embedded between metal electrodes in a metal-insulatormetal structure, are part of the ongoing research. A widely recognized model for an explanation of the local structure within the switching mechanism discribes the alteration of the resistive state as a result of an alternating forming and interruption of a conducting path inside an oxide layer. The presence of such a filament acts like a linkage between the electrodes. Based on that, the present study deals with the investigation of such memory storages. In the wake of this the chosen electrode materials enables the determination of memory effects due to pure modifications inside the oxide layers. Thus, a targeted manipulation of defects and the resistive switching mechanism becomes possible by annealing of the layer or its modification by ion implantation which was the central challenge. Therefore the used oxide structures have to be well reputed and, additionally, almost free of defects to be able to localize changes in the switching mechanism exactly. To combine all this facts, the model system SrO-TiO2 is investigated with the two compounds TiO2 und SrTiO3. The properties of this system are already well discussed in literature. To ensure the purity of the layers, they are created by atomic layer deposition. The optimisation of the deposition process and layer characterization is presented in the first part of this study. Using a variety of optical and structural analysis methods allows defined conclusions about the oxide properties. All publications concerning the atomic layer deposition of SrTiO3 deal with self-made devices or precursor materials foreclosing an industrial reproduction. One of the results of this thesis enables exactly that by a combination of a commerically available device and commercial precursor materials. After its optimisation, the oxide layers are integrated between the two electrode materials Au and TiN in order to characterize the electrical properties of the resulting memory cells. Bipolar, nonvolatile resistive switching can be proved for amorphous and ex situ crystallised oxides. Based on structure-property correlations the conduction mechanism within the investigated cells can be identified as Schottky emission and for sufficiently high voltage as volume-dominated Poole Frenkel emission. The necessary defects therefore are determined to be shallow donor states. The assumption of resistive switching based on a reversible conducting filament consisting of defect states is confirmed by a changing Coulomb barrier high during the high of the Schottky barrier remains contant. Especially amorphous TiO2 with switching and reading speeds up to a few milliseconds, but also polycrystalline SrTiO3 showing high potential for future implementation in resistive switching memory cells. By use of Kr+ ion implantation the electrical and structural properties of TiO2 and SrTiO3 are changed. XRD measurements at crystalline TiO2 layers verify simulation data carried out by SRIM. For high enough fluences it shows an amorphisation of the crystalline structures by atomic redistribution inside the oxids. Thus, additionally intrinsic deep defects are created inside the oxide layers which modify the resistive switching character. A special focus is on the transformation of crystalline volatile switching TiO2 layers into amorphous non-volatile memory devices which shows more stable resistance values combined with lower energy input compared to initial amorphous layers.

Le titanate de baryum dopé (BaTiO3, BT) avec des éléments de terres rares est utilisé comme diélectrique dans la fabrication de condensateurs céramiques multicouches (MLCC). L'oxyde de terres rares le plus couramment utilisé comme dopant dans la formulation commerciale de la poudre BT pour la fabrication de MLCC est Y2O3, car il a des propriétés similaires à celles de l'ajout de Ho2O3, Er2O3 ou Dy2O3 et il est moins coûteux. D'autres additifs, tels que Mn, Mg et Ca contribuent à la répartition globale des défauts électroniques pouvant être générés lorsque les ions dopants sont insérés dans le réseau, tandis que SiO2 est utilisé comme additif de frittage. La structure pérovskite du BT peut héberger une large gamme de dopants pouvant remplacer Ba ou Ti dans le réseau. Aussi, des phases secondaires, notamment celles connues sous le nom de pyrochlores Y2Ti2O7, associées à l'Y2O3 en tant que dopant BT, supposées être á l'origine des mécanismes de défaillance à long terme des MLCC, apparaissent. Le but de ce travail est de caractériser le BT dopé avec différentes concentrations d'Y2O3, en validant son éventuelle contribution à la formation de phases secondaires et en évaluant la fiabilité des MLCC préparées avec ce type de matériaux. Le rôle de Y2O3 a été évalué sur deux types de matières premières, le premier est du BaTiO3 pur (<100 ppm en Y) et le second est une formulation commerciale conçue pour les MLCC connus sous le nom de X7R (-55 °C et 125 °C, ±15 %) qui, entre autres éléments, contient déjà 1% en poids de Y2O3. Des poudres et des céramiques avec différentes concentrations d'Y3+, telles qu'Y2O3, de dopage (1% en poids à 20% en poids) ont été préparées puis traitées thermiquement ou frittées. Le traitement thermique de la poudre a été effectué à l'air, tandis que le frittage de la céramique (poudre compactée à 2 MPa) a été effectué à la fois dans l'air et dans une atmosphère réductrice (1310 °C à l'air pendant 3 h, deux étapes: 1310 °C puis 1150 °C 15 h et une atmosphère réductrice N2, H2, H2O à 1310 °C pendant 3 h). En ce qui concerne l'addition d'Y2O3, la transition de phase de tétragonal à un mélange de tétragonal et de cubique a été observée lorsque la concentration en Y2O3 augmentait dans la poudre traitée thermiquement et dans la céramique correspondante. [...] / Doped barium titanate (BaTiO3, BT) with rare-earth elements (REE) is used as dielectric in the manufacture of multilayer ceramic capacitors (MLCCs). The most common REE oxide employed as dopant in the commercial formulation of BT powder for fabrication of MLCCs is Y2O3, because it results in similar properties than adding Ho2O3, Er2O3 or Dy2O3, and it is less expensive. Other additives, such as Mn, Mg, and Ca contribute to the global distribution of the electronic defects that can be generated when the doping ions are inserted into the lattice, while SiO2 is used as a sintering additive. The perovskite structure of the BT can host a wide range of dopants that can substitute either Ba or Ti in the lattice. There are reports of secondary phases, particularly those known as pyrochlores Y2Ti2O7, related to Y2O3 as BT dopant, that are supposed to be the cause of long term failure mechanisms of MLCC's under nominal operation. The purpose of this work is to characterize BT doped with different concentrations of Y2O3, validating its possible contribution to the formation of secondary phases, and evaluating reliability of MLCCs prepared with this kind of materials. The role of Y2O3 was evaluated on two kinds of raw materials, the first one is pure BaTiO3 (< 100 ppm Y) and the second kind is a commercial formulation designed for MLCCs known as X7R (-55 °C and 125 °C, 15% tolerance) which, among other elements, already contains 1 wt% of Y2O3. Powders and ceramics with different Y3+, as Y2O3, doping concentration (1 wt% up to 20 wt%) were prepared and subsequently thermally treated or sintered, respectively. Heat treatment of powder was conducted on air, while sintering of ceramics (powder compacted at 2 MPa) was carried out both, in air and reducing atmosphere (1310 °C in air for 3 h, two steps: 1310 °C then 1150 °C 15 h, and a reducing atmosphere N2, H2, H2O at 1310 °C for 3 h). Regarding Y2O3 addition, the phase transition from tetragonal to a mixture of tetragonal and cubic was observed as Y2O3 concentration increases in the thermally treated powder and in the corresponding ceramics. [...]