Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第16849号 / 工博第3570号 / 新制||工||1539(附属図書館) / 29524 / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 河合 潤, 教授 白井 泰治, 教授 乾 晴行 / 学位規則第4条第1項該当

Le travail qui est présenté dans ce manuscrit est le résultat d'une série d'expériences qui ont été effectuées à la fois à l'Université du Maine (IMMM Le Mans) et aux lignes de lumière lD10 et lD02 de l'ESRF (Grenoble) où j'ai passé la moitié de mon temps. Le projet que j'ai travaillé pendant trois ans a été principalement orienté sur l'étude des nanomatériaux qui ont été exposés au CO2 supercritique en utilisant de diffusion des rayons X. Par conséquent une partie de ce travail a été consacrée à la description des propriétés de ce fluide supercritique et comment il interagit avec des matériaux tels que les polymères par exemple. Les matériaux analysés ont été le polystyrène sous forme de film et des ilots, ensuite des matériaux meso-structures avec des tensioactifs fluorés et finalement le carbonate de calcium. Due à la taille nanométrique de tous ces matériaux, les techniques de rayons X qui ont été largement utilisés dans ce travail étaient Small angle X-ray scattering (SAXS), Grazing Small angle X-ray scattering ( (GISAXS) et X-ray reflectivity (XRR). / The work that is presented in this manuscript is the result of a series of experiments that were performed both at the Université du Maine (IMMM Le Mans) and at the ID10 and ID02 beam lines of the ESRF (Grenoble) where I have equally spent half of my time. The project I have been working on for three years was mostly oriented on the study by means of X-ray scattering probes of nanomaterials that were exposed to supercritical CO2. As a result another part of this work will be also dedicated to describing the properties of this supercritical fluid and how it interacts with materials such as polymers for instance. The analyzed materials were thin film and small island of polystyrene, then materials mesostructures using fluoro-surfactants and finally calcium carbonate. Due to the nanoscale of these materials, the X-ray probes that were extensively used in this work were Small Angle X-ray scattering (SAXS), Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) and X-ray Reflectivity (XRR).

The objective of this thesis was to advance understanding in the field of biolubrication, finding inspiration from the human synovial joints. This was addressed by investigating the association of key biolubricants and the resulting lubrication performance. Techniques employed during the course of this work were Atomic force microscopy (AFM), Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D), X-ray reflectivity (XRR). Key synovial fluid and cartilage components like dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC), hyaluronan (HA), lubricin, and cartilage oligomeric matrix protein (COMP) have been used in the investigations. Focus was towards two lubrication couples; DPPC-hyaluronan and COMP-lubricin. DPPC-hyaluronan mixtures were probed on hydrophilic silica surfaces and COMP-lubricin association structures were explored on weakly hydrophobic poly (methyl methacrylate) (PMMA) surfaces. Investigations of the COMP-lubricin pair revealed that individually these components are unable to reach desired lubrication. However in combination, COMP facilitates firm attachment of lubricin to the PMMA surface in a favourable confirmation that imparts low friction coefficient. DPPC and hyaluronan combined impart lubrication advantage over lone DPPC bilayers. Hyaluronan provides a reservoir of DPPC on the surface and consequently self-healing ability. Other factors like temperature, presence of calcium ions, molecular weight of hyaluronan, and pressure were also explored. DPPC bilayers at higher temperature had higher load bearing capacity. Association between DPPC Langmuir layers and hyaluronan was enhanced in the presence of calcium ions, and lower molecular weight hyaluronan had a stronger tendency to bind to DPPC. At high pressures, DPPC-hyaluronan layers were more stable compared to lone DPPC bilayers. / <p>QC 20170210</p>

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In this work, we described the structural, morphological, optical and electrical properties of the ZnO thin films undoped and chromium (Cr), copper (Cu), aluminium (Al) doped deposited using magnetron sputtering and co-sputtering method on glasses, Cr and niobium (Nb) substrates. For characterization of the samples were used the X-ray diffraction (XRD), X-ray reflectometry (XRR), UV-Vis spectroscopy in the visible region techniques and IxV plots. This work was divided in two parts, in the study I, ZnO films were grown on glasses substrates and the influence of the substrate temperature, RF power and films thickness at the structural, morphological and optical properties was studied. The results showed that all films grown exhibit characteristic peaks of hexagonal wurtzite phase with axis-c preferential orientation, the films roughness was very influenced by thickness and temperature and the gap energy varied with the films thickness. In the study II, thin films undoped and doped were grown at 300ºC on different substrates and the influence of kind of substrate, dopants, dopant concentration on the structural, morphological, optical and electrical properties was studied. Generally, all samples deposited on Cr substrates exhibit resistance lower than the samples deposited on Nb substrates. For some samples, an unusual behavior was observed at the moment of electrical measurements, after any voltage, different for each sample, the current fell abruptly. / Neste trabalho, descrevemos as propriedades estruturais, morfológicas, ópticas e elétricas de filmes finos de ZnO puros e dopados com cromo (Cr), cobre (Cu) e alumínio (Al) depositados por sputtering e co-sputtering em substratos de vidro, Cr e nióbio (Nb). Foram utilizadas as técnicas de difração de raios X (DRX), reflectometria de raios X (XRR), espectroscopia óptica na região do UV-Vis e curvas de IxV para caracterização das amostras. O trabalho foi dividido em duas etapas, na primeira etapa foram estudados os efeitos da espessura, da temperatura do substrato e da potência RF nas propriedades estruturais, morfológicas e ópticas dos filmes de ZnO crescidos sobre substrato de vidro. Os resultados mostraram que todos os filmes produzidos apresentam picos característicos da fase hexagonal wurtzita com orientação preferencial ao longo do eixo-c, a rugosidade dos filmes foi bastante influenciada pela espessura e temperatura e a energia de gap variou com a espessura dos filmes. Na segunda etapa, filmes finos puros e dopados foram depositados a 300ºC em diferentes substratos. Nesta etapa foram investigados a influência do tipo de substrato e da concentração dos dopantes nas propriedades estruturais, morfológicas, ópticas e elétricas. Os resultados mostraram que a cristalinidade dos filmes de ZnO foi fortemente influenciada pela rugosidade do substrato. De modo geral, todas as amostras depositadas sob substratos de Cr apresentaram resistência menores do que as amostras depositadas sob Nb. Para algumas amostras, um comportamento não usual foi observado no momento das medidas elétricas onde após uma determinada tensão, diferente para cada amostra, a corrente caía abruptamente.

La miniaturisation des circuits intégrés permet à la fois d'augmenter les performances mais aussi de réduire leur coût. Cependant, cette réduction des dimensions provoque la prépondérance du temps de transit dans les interconnexions devant le temps de commutation des transistors. Ainsi, un matériau diélectrique de plus faible permittivité de type SiOCH poreux est intégré malgré une sensibilité plus élevée au plasma de gravure. Ce travail de recherche s'intéresse au développement de procédés plasmas in situ réalisés après la gravure de l'empreinte de la ligne métallique dans le diélectrique poreux. Ces traitements, utilisant des chimies réductrices, oxydantes et à base d'hydrocarbures, ont pour but de 1) limiter la croissance de résidus qui provoquent parfois des pertes de rendement dans le cas de l'utilisation d'un masque dur métallique et 2) limiter la diffusion de la barrière métallique en TaN/Ta. Cependant, ces traitements (NH3, O2, CH4, H2) ont été optimisés afin de ne pas augmenter la modification induite par l'étape de gravure seule. La caractérisation de la modification induite dans le diélectrique situé sur le fond et les flancs des lignes par les plasmas a été effectuée notamment en développant des techniques de caractérisation spécifiques. Ainsi, l'ensemble des traitements plasma induisent tous une couche modifiée dans le matériau avec des caractéristiques différentes sur le fond et les flancs (composition de surface, épaisseur, perméation...). Le traitement à base de méthane limite la croissance de résidus sans modifier le diélectrique plus que l'étape de gravure. Ce procédé a été implémenté en production par l'entreprise STMicroélectronics.

Pour réduire la taille des dispositifs et les temps de commutation en microélectronique, les lignes d'interconnexions doivent être isolées par du SiOCH poreux. Cependant, la réalisation de tranchées étroites dans le SiOCH poreux nécessite de revoir les différents procédés par plasmas (gravure, traitements post-gravure) et les schémas d'intégration, puisque ce matériau est facilement dégradé lorsqu'il est exposé à un plasma.<br /><br />Cette thèse porte sur les interactions plasmas/matériaux pour l'intégration des SiOCH poreux dans des tranchées très étroites (<100 nm). Les diagnostics des plasmas et l'analyse des matériaux exposés aux plasmas permettent de caractériser et d'optimiser les procédés de transfert de motifs d'un masque métallique ou organique dans un SiOCH poreux ou hybride (rendu poreux en fin d'intégration). La modification des matériaux poreux et hybrides par les plasmas post-gravure est également étudiée.<br /><br />Avec un plasma fluorocarboné, le matériau hybride présente des mécanismes de gravure similaires à ceux d'un SiOCH dense. Le TiN et le matériau organique ont des mécanismes de gravure différents de ceux des diélectriques, ce qui assure une bonne sélectivité. Le procédé de gravure optimisé pour le masque organique permet la gravure de tranchées très étroites avec un profil quasiment vertical. Par contre, le contrôle dimensionnel de tranchées étroites est plus difficile avec un masque en TiN, en raison de dépôts métalliques sur les flancs, de profils en forme de tonneaux, et du flambage des lignes. Après l'étape de gravure, les matériaux poreux et hybrides sont modifiés par les plasmas post-gravure.

Η παρούσα εργασία εστιάζεται στη μελέτη και την αλγοριθμική υλοποίηση των κλασσικών θεωριών Ενεργού Μέσου που αναπτύχθηκαν από τους Maxwell-Garnett και Bruggeman, μεταγενέστερες επεκτάσεις τους καθώς επίσης και ενός μοντέλου βασισμένο στη «θεωρία Mie», με σκοπό να διερευνηθεί εάν και σε ποιόν βαθμό, μπορούν να συμβάλλουν στην προσομοίωση του φαινομένου της τραχύτητας των διεπιφανειών μιας πολυστρωματικής δομής. Στόχος ακόμα της εργασίας είναι η ανάπτυξη φιλικού προς το χρήστη λογισμικού σε περιβάλλον Matlab, το οποίο να ενσωματώνει όλες τις υλοποιήσεις των ανωτέρω θεωριών Ενεργού Μέσου αλλά και εν μέρει να αυτοματοποιεί μέσω αυτών, τη αντιμετώπιση του φαινομένου της τραχύτητας. Το λογισμικό που αναπτύχθηκε συνδυάστηκε με υφιστάμενο λογισμικό της θεωρίας Χαρακτηριστικού Πίνακα για την συνολική αποτίμηση των οπτικών ιδιοτήτων σύνθετων επιστρώσεων. Στο πειραματικό σκέλος της εργασίας, αναπτύχθηκαν με τις μεθόδους Doctor Blade και εξάχνωσης με πυροβόλο δέσμης ηλεκτρονίων, δείγματα μονής επίστρωσης (διηλεκτρικών 𝑇𝑇𝑇2,𝑍𝑛𝑇), διπλής επίστρωσης τύπου «διηλεκτρικό-μέταλλο» (𝑊𝑇3/𝐴𝑔) και τριπλής επίστρωσης τύπου «διηλεκτρικό–μέταλλο-διηλεκτρικό» (𝑊𝑇3/𝐴𝑔/𝑊𝑇3). Για την ασφαλή αξιολόγηση των διαφόρων θεωρητικών μοντέλων που αναπτύχθηκαν, διενεργήθηκαν πολλαπλές μετρήσεις μορφολογίας, πάχους, τραχύτητας και οπτικής συμπεριφοράς (AFM, SEM, XRR, Προφιλομετρία ακίδας, UV-Vis φασματομετρία) Έτσι, τα πεδία σύγκρισης των μοντέλων με τα πειραματικά δεδομένα ήταν τα διαγράμματα φασματικής διαπερατότητας/ανακλαστικότητας και τα επιμέρους πάχη των συμπαγών στρωμάτων και των διεπιφανειών. Από τις απόπειρες προσομοίωσης των παραπάνω επιστρώσεων προκύπτουν σημαντικά συμπεράσματα αναφορικά με την εγκυρότητα των θεωρητικών μοντέλων ως προς την ικανότητα περιγραφής της οπτικής συμπεριφοράς. Το μοντέλο “Mie” περιγράφει εξαιρετικά την οπτική συμπεριφορά απλών υμενίων με έντονη παρουσία αέρα στο εσωτερικό τους, ανεξάρτητα από τα χαρακτηριστικά τραχύτητας που παρουσιάζουν. Αντίθετα, η εγκυρότητα των θεωριών Ενεργού Μέσου σε αυτές τις περιπτώσεις εξαρτάται αυστηρά από τα χαρακτηριστικά τραχύτητας. Παρόλα αυτά οι θεωρίες Ενεργού Μέσου και ιδιαίτερα η περίπτωση Bruggeman, επιτυγχάνουν μια ιδιαίτερα σημαντική βελτίωση στην πρόβλεψη της οπτικής συμπεριφοράς πολυστρωματικών επιστρώσεων – όπου η θεωρία Mie αποτυγχάνει - με την ενσωμάτωσης της τραχύτητας επιφάνειας και διεπαφών. Τέλος δίνονται κατευθύνσεις για την περεταίρω βελτίωση των μοντέλων εξομοίωσης της τραχύτητας αλλά και για την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου προγράμματος που θα αντιμετωπίζει συνολικά το θέμα της θεωρητικής σχεδίασης επιστρώσεων λεπτών υμενίων. Αποτελέσματα της παρούσας, χρησιμοποιήθηκαν στην δημοσιευθείσα εργασία: • E. Koubli, S. Tsakanikas, G. Leftheriotis*, G. Syrrokostas and P. Yianoulis, Optical properties and stability of near-optimum WO3/Ag/WO3, Solid State Ionics. / This work focuses on the study and algorithmic implementation of the classical Effective Medium theories developed by Maxwell-Garnett and Bruggeman, subsequently extended versions of them as well as a “Mie Theory” based model, in order to investigate whether - and to which extend - they can be exploited for the simulation of surface and interface roughness of a multilayer structure. It also aims in the development of user-friendly software (Matlab graphical user interface), which will integrate the implementations of all the above theories, in order to easily attain different approaches to the composite medium and to deal with the phenomenon of roughness. The overall assessment of the optical properties of composite, multilayer coatings was achieved by the combination of the software described above with an existing Transfer Matrix program. The experimental part of this work included the development, through Doctor Blade and E-gun Vapor Deposition techniques, of single-layer coatings (𝑇𝑇𝑇2, ZnO dielectrics), double-layer coatings of the "dielectric-metal" type (𝑊𝑇3/𝐴𝑔) and triple-layer coatings of the "dielectric-metal-dielectric" type (𝑊𝑇3/𝐴𝑔/𝑊𝑇3). For the safe evaluation of the developed theoretical models, multiple experimental techniques (AFM, SEM, XRR, Step Profilometry, and UV-Vis Spectrometry) were used for the measurement of the morphology, thickness, roughness and optical performance of the coatings. Thus, the evaluation of the theoretical models was based upon the comparison to the experimental data, using criteria such as the spectral transmittance/reflectance response and the thickness of the individual compact layers and interfaces of the coatings. The simulations of the above coatings yielded important conclusions regarding the validity of the theoretical models in the description of optical behavior. "Mie" model is found to describe extremely well the optical properties of simple thin-films containing significant amounts of air, regardless of the roughness characteristics that they present. On the contrary, the validity of Effective Medium theories in such cases is strongly dependent on the characteristics of roughness. Nevertheless Effective Medium theories and particularly the case of Bruggeman are proved to significantly contribute in the forecasting of multilayer coatings’ optical behavior - where Mie theory fails – by the incorporation of surface and interfaces roughness. Finally, directions are given for further improvement for the roughness simulation models as well as for the development of a complete program that would holistically account for the theoretical design/simulation of thin-film coatings. Results of the present work were used in the following published paper: • E. Koubli, S. Tsakanikas, G. Leftheriotis*, G. Syrrokostas and P. Yianoulis, Optical properties and stability of near-optimum WO3/Ag/WO3, Solid State Ionics.

Depuis l'invention du transistor MOS à effet de champ dans les années 60, l'exploitation de cette brique élémentaire a permis une évolution exponentielle du domaine de la microélectronique, avec une course effrénée vers la miniaturisation des dispositifs électroniques CMOS. Dans ce contexte, l'introduction des oxydes "high-κ" (notamment HfO2) a permis de franchir la barrière sub-nanométrique de l'EOT (Equivalent Oxide Thickness) pour l’oxyde de grille. Les travaux actuels concernent notamment la recherche de matériaux "high-κ" et de procédés qui permettraient d'avoir une interface abrupte, thermodynamiquement stable avec le silicium, pouvant conduire à des EOTs de l'ordre de 5Å. L’objectif de cette thèse, était d’explorer le potentiel de l’oxyde LaAlO3 amorphe déposé sur silicium par des techniques d’Épitaxie par Jets Moléculaires, en combinant des études sur les propriétés physico-chimiques et électriques de ce système. Le travail de thèse a d’abord consisté à définir des procédures d'élaboration sur Si de couches très minces (≈4nm), robustes et reproductibles, afin de fiabiliser les mesures électriques, puis à optimiser la qualité électrique des hétérostructures en ajustant les paramètres de dépôt à partir de corrélations entre résultats électriques et propriétés physico-chimiques (densité, stœchiométrie, environnement chimique…) et enfin à valider un procédé d'intégration du matériau dans la réalisation de MOSFET. La stabilité et la reproductibilité des mesures ont été atteintes grâce à une préparation de surface du substrat adaptée et grâce à l'introduction d'oxygène atomique pendant le dépôt de LaAlO3, permettant ainsi une homogénéisation des couches et une réduction des courants de fuite. Après optimisation des paramètres de dépôt, les meilleures structures présentent des EOTs de 8-9Å, une constante diélectrique de 16 et des courants de fuite de l'ordre de 10-2A/cm². Les caractérisations physico-chimiques fines des couches par XPS ont révélé des inhomogénéités de composition qui peuvent expliquer que le κ mesuré soit inférieur aux valeurs de LaAlO3 cristallin (20-25). Bien que les interfaces LAO/Si soient abruptes après le dépôt et que LaAlO3 soit thermodynamiquement stable vis-à-vis du silicium, le système LAO amorphe /Si s’est révélé instable pour des recuits post-dépôt effectués à des températures supérieures à 700°C. Un procédé de fabrication de MOSFETs aux dimensions relâchées a été défini pour tester les filières high-κ. Les premières étapes du procédé ont été validées pour LaAlO3. / Since MOS Field Effect Transistor invention in the 60's, the exploitation of this elementary piece of technology allowed an exponential evolution in the microelectronic field, with a frantic race towards miniaturization of CMOS electronic devices. In this context, the introduction of "high-κ" oxides (notably HfO2) allowed to cross the sub-nanometer barrier of EOT (Equivalent Oxide Thickness) for the gate oxide. Current work are notably related to "high-κ" research materials and processes that would allow an abrupt and thermodynamically stable interface with respect to silicon, that may lead to EOTs of about 5Å. The purpose of this thesis was to explore the potential of amorphous oxide LaAlO3 deposited on silicon by techniques of molecular beam epitaxy, combining studies of the physicochemical and electrical properties of this system. The thesis work has first consisted in defining procedures for the preparation of very thin (≈ 4 nm), robust and reproducible layers on Si in order to allow reliable electrical measurements then to optimize the electrical quality of the hetero-structures by adjusting deposition parameters from correlations between electrical results and physicochemical properties (density, stoichiometry, chemical environment...) and finally to validate a method for integrating the material in the realization of MOSFET. The stability and reproducibility of the measurements were achieved thanks to an adapted surface preparation of the substrate and by the introduction of atomic oxygen during the LaAlO3 deposition, thus allowing homogenization of layers and reducing leakage currents. After optimizing the deposition parameters, the best structures exhibit EOTs of 8-9 A, a dielectric constant of 16 and leakage currents in the range of 10-2 A/cm². Accurate physico-chemical characterizations of thin layers by XPS revealed composition inhomogeneities that can explain why the measured κ is less than values of crystalline LaAlO3 (20-25). Although the LAO/Si interfaces are steep after deposition and LaAlO3 is thermodynamically stable with respect to the silicon, amorphous system LAO/Si has proven unstable during post-deposition annealing carried out at temperatures above 700 ° C. A process for producing MOSFETs with released dimensions was defined to test high-κ field. The first stages of the process have been validated for LaAlO3.

Double perovskite materials exhibit alterations in magnetic order through manipulation oftheir crystal structure. Certain ultra thin metallic bilayers can create an exotic magnetic stateof confined spin textures called skyrmions. In both cases, new atomic arrangements leadto new electrical and magnetic properties. The following work comprises two studies, bothof which examine the magnetic properties of transition metals in either powder or thin filmsamples. The first part is dedicated to a series of muon spin rotation and relaxation (muSR)experiments on a LaSrNiReO6, double perovskite, powder sample. In the muSR technique, aspin polarized muon beam is focused onto a powder envelope in low pressure and temperatureconditions. The spins of the implanted muons evolve depending on the intrinsic or externallyapplied magnetic field according to Larmor precession. The measurement is based onthe detection of decay positrons that carry this precession information on their preferreddecay directions. Measurements that were realized in wTF, ZF and LF setups, reveal asecond transition to magnetic order at Tc ≃ 22K, below a transition that was observed at T =261K from magnetic susceptibility measurements. The experimental results point to threemagnetic phases, paramagnetic for T &gt; 261K, dilute ferrimagnetic for 22 &lt; T &lt; 261K and amagnetically ordered state for T &lt; 22K, that may implicate ferro- and antiferromagnetismfrom Ni sublattices and Ni-Re interactions. The second part follows an attempt to produce and characterize ultra thin bilayer filmsfor the observation of interfacial chiral structures and skyrmions. Co/Fe/MgO (100) andW/Ni/Cu (100) bilayers were grown with magnetron sputter deposition in various layerthicknesses and their structure was determined by X-ray reflectometry (XRR). The XRRscans presented a relatively thick-layered Co/Fe/MgO film, while extremely thin and roughW/Ni/Cu bilayers, for the purposes of studying films with broken interfacial inversionsymmetry. This study was concluded with indicative magneto-transport measurements thatalso point to the reconfiguration of the growth procedure.

Le domaine du rayonnement extrême ultraviolet (EUV) offre de grandes possibilités scientifiques et technologiques en photolithographie, en astrophysique, en spectrométrie de photoélectron, etc. Ainsi, de nombreux miroirs multicouches sont développés pour fonctionner dans ce domaine spectral, qui joue un rôle important pour les applications optiques. L'objectif de ce travail est de concevoir, réaliser, caractériser et proposer des multicouches (Mg/Co, Al/SiC, ...). Puis le but est d'appliquer une méthode capable de distinguer entre interdiffusion et rugosité géométrique afin de corréler les performances optiques de la multicouche à sa qualité structurale. Nous proposons de caractériser les miroirs multicouches en employant une méthodologie combinant plusieurs techniques (Spectroscopie d'émission X, Réflectométrie EUV, ...). La combinaison de ces méthodes permet d'obtenir une description chimique et structurale de l'empilement multicouche et de comprendre les phénomènes prenant place aux interfaces. Il est en effet important de connaître les phénomènes interfaciaux, comme la formation de composés ou le développement de la rugosité, car ils gouvernent les propriétés optiques des multicouches.