Rozprawy doktorskie na temat „Permittivité relative (constante diélectrique)”

Les propriétés diélectriques d'un milieu hétérogène sont importantes. Plusieurs auteurs ont proposé des fonctions empiriques et théoriques concernant la permittivité diélectrique d'un milieu hétérogène. La formulation de Bergman est la plus complète. Cette formule permet d'évaluer la permittivité effective d'un milieu hétérogène contenant deux composants sous la forme d'une intégrale qui sépare l'influence des permittivités de chaque composant et le rôle de la dispersion géométrique. Nous avons appliqué cette formule aux formules de Lichtenecker, de C. R. I. M. , de Rayleigh, de Bottcher, de Bruggeman et de Looyenga, et calcule les fonctions de densité géométrique correspondantes. Puis, nous avons vérifié les propriétés de ces fonctions et calculé le facteur de percolation. En présence d'un lot de valeurs expérimentales de la permittivité de mélange diélectrique, dans le cas où on ne dispose pas de formule empirique, on peut calculer la densité géométrique numériquement par la méthode de décomposition des polynômes de Legendre. Il apparait possible de proposer une extension des formules de Lichtenecker, C. R. I. M. Et Looyenga, à trois constituants, ces formules ont été mises sous forme d'intégrales. Puis, nous avons constaté qu'elles obéissent toutes à la même formule. Les travaux de Milton-Golden développés dans cette thèse, sont des formules basées sur des théorèmes mathématiques. En nous appuyant sur ces travaux, nous avons démontré que la permittivité de mélange à deux ou à trois constituants des formules de Lichtenecker, C. R. I. M. Et Looyenga, peut-être représentée sous la forme d'intégrale.

Au cours des deux dernières décennies, la dépollution et la surveillance des sites pollués sont devenus une question sociétale importante. Les techniques classiques de surveillance par piézomètres et piézairs ne suffisent pas pour suivre les changements caractéristiques dans le sous-sol de ces sites en raison de leur caractère ponctuel. Ainsi l’interprétation de données géophysiques acquises lors de la surveillance de tels sites est un outil pour la dépollution de leurs sols. Les propriétés géophysiques sont des paramètres clés dans la validation des méthodes de dépollution des sols contaminés par des produits chimiques organiques et industriels, comme les hydrocarbures lourds, DNAPL (‘Dense Non-Aqueous Phase Liquids’ en anglais). Parmi les techniques géophysiques pouvant être utilisées pour suivre les propriétés physiques des sites contaminés, les méthodes électriques et électromagnétiques se sont révélées être des techniques de surveillance fiables fournissant des informations sur la résistivité électrique et la permittivité diélectrique reliées aux propriétés physiques et hydrodynamiques du milieu. L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer la capacité des méthodes électromagnétiques afin de suivre le processus de dépollution dans des sols contaminés par des DNAPL, via l’utilisation en laboratoire des méthodes de SIP (‘Spectral Induced Polarization’ en anglais, polarisation provoquée spectrale ou dans le domaine fréquentiel en français) et TDR (‘Time Domain Reflectometry’ en anglais) dans des milieux poreux contaminés, ces méthodes mesurant ces propriétés électromagnétiques
During the past two decades, the remediating and monitoring of polluted sites have become an important issue. Among all geophysical techniques, electrical methods showed their ability to monitor clean-up programs in these sites. Spectral induced polarization (SIP) technique is a method in near surface geophysics to measure complex electrical resistivity of a medium in the frequency domain. The other geophysical method was used is time domain reflectometry (TDR) that has been developed to measure relative dielectric permittivity, water content and temperature in homogeneous or heterogeneous porous media. This thesis is a challenge to evaluate efficiency and potential of SIP and TDR for a long-term monitoring of dense non-aqueous phase liquids (DNAPLs) recovery in contaminated porous media in the laboratory. Different sets of experiments designed to study the impacts of temperature and saturation changes on electrical complex resistivity and relative permittivity of saturated porous media on isothermal and non-isothermal conditions were examined in different 1D columns. The measurements were made with different couples of pollutants and fluids (i.e. coal tar/water, chlorinated solvent/water and canola oil/salty ethanol) in porous media simulated with glass beads of 1 mm diameter.Our findings concerning to temperature and saturation change show that experimental data of relative permittivity and complex resistivity obey empirical models validating our experimental setup and protocol. The results from the laboratory measurements will be used in the real conditions in field measurements in a remediation program

Le remplacement des oxydes de grille en SiO2 par des oxydes à plus forte constante diélectrique (high k) est inéluctable pour les technologies CMOS sub 50 nm, notamment pour les circuits à basse consommation d'énergie. Il s'agit dans ce projet de développer une technologie de fabrication de films minces d'oxydes monocristallins, à forte constante diélectrique, épitaxiés sur silicium, qui pourrait prendre le relais des technologies à base de films amorphes comme HfO2, dans les futures filières 45 nm ou 32 nm. La technique d'épitaxie choisie est l'épitaxie par jets moléculaires qui présente l'intérêt d'avoir un maximum de flexibilité. Les procédés sont développés sur un réacteur 2 pouces. Le matériau de départ est l'oxyde LaAIO3 qui possède une structure cubique de type pérovskite. Ce travail a posé les bases de stratégies "matériaux" qui devraient permettre de réaliser, dans le futur, des hétérostructures oxydes épitaxiés/Silicium répondant aux objectifs visés en microélectronique
Downscaling of CMOS devices calls for an equivalent oxide thickness (EOT) of the gate dielectric less than 1 nm as wells as a low gate leakage current. LaAIO3 (LAO) perovskite oxide is a potential high-k dielectric candidate for the replacement of SiO2 in the sub-100 nm CMOS technology on Silicon. Among many possible deposition methods. Molecular Beam Epitaxy (MBE) has shown to be an adequate technique for preparing high-k dielectrics because it can produce high quality crystalline films with atomically sharp interfaces. This work posed the bases of strategies "materials" which should make it possible to realize, in the future, of the epitaxial heterostructures oxides/Silicium answering the aims had in micro-electronics

L'objet de cette étude est le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) de films minces à faible constante diélectrique pour des applications en technologies CMOS. Les couches minces sont déposées à basse température (<100°C) et basse presssion (2mTorr) sur des substrats de silicium à partir d'hexaméthyldisiloxane (HMDSO) pur ou mélangé avec de l'oxygène ou du méthane. En multipliant les diagnostics de caractérisations du plasma et des couches minces, nous avons cherché à mesurer des paramètres plasmas cruciaux pour le dépôt, approfondir la connaissance des structures et des propriétés des films déposés et optimiser les caractéristiques électriques. . .

L'objet de ce travail est la gravure en plasma ICP fluorocarboné de matériaux à faible constante diélectrique que sont les méthylsilsesquioxanes SiOCH et SiOCH poreux, utilisés comme isolant intermétallique dans la réalisation de circuits intégrés en microélectronique. La gravure de matériaux utilisés comme masque dur ou couche d'arrêt, SiO2, SiCH, est aussi étudiée. Une vitesse de gravure élevée pour le low- SiOCH poreux, associée à une forte sélectivité de gravure vis à vis de SiO2 et SiCH, sont recherchées. Dans cet objectif, le procédé de gravure est modifié : la tension de polarisation, et donc l'énergie des ions, est pulsée. Pour comprendre les mécanismes de gravure de Si, SiCH, SiO2, SiOCH, et SiOCH poreux en polarisation continue et pulsée, les analyses de surface (XPS, ellipsométrie) sont couplées aux analyses plasma (spectrométrie de masse, spectroscopie d'émission optique, sonde plane). Un modèle est développé pour décrire la vitesse de gravure en polarisation pulsée
This study concerns the etching of low permittivity methylsilsesquioxane materials, SiOCH and porous SiOCH, used as intermetal dielectric in microelectronics devices, with fluorocarbon inductively coupled plasma. Etching of SiO2 and SiCH, used as hard mask or etch stop layer is also studied. The aim is to obtain a high porous SiOCH etch rate with a high selectivity versus SiCH and SiO2. To reach this goal, the etching process has been modified : the bias voltage, and so the ion energy, is pulsed. This process provides excellent results concerning both etch rate and selectivity. To understand etch mechanisms of Si, SiCH, SiO2, SiOCH, and porous SiOCH in continuous and pulsed modes, surface analyses (XPS, ellipsometry) are coupled to plasma analyses (mass spectrometry, optical emission spectroscopy, planar probe). A model describing etch rates when a pulsed bias voltage is applied has been developed

Ce travail montre et justifie que le coefficient de réflexion d'un applicateur microonde peut être représenté, avec une bonne approximation par une fonction bihomographique de la permittivité et de la perméabilité complexes du matériau qu'il contient. Cette approximation permet de calculer simplement et après calibration, les caractéristiques d'un matériau quelle que soit la forme géométrique du matériau et quelle que soit la distribution du champ électromagnétique à laquelle il est soumis. Cette approximation permet ainsi de suivre en temps réel le traitement que subit le matériau
It is shown that the complex reflection coefficient of a microwave applicator is a bilinear function of the complex permittivity and permeability of the material which is inside the applicafor. After calibration this approximation can be used for calculating the electric and magnetic characteristics even if the geometric shape of the material and the electromagnetic spatial distribution are complicated and/or can not be calculated. The approximation can also be used for real time control of the physical or chemical processes induced by a microwave field inside the applicator

Ce travail de thèse consiste en une étude approfondie du comportement de l'oxyde de silicium implanté Kr ou Xe pour son application comme matériau à faible constante diélectrique. Deux volets sont examinés: une étude structurale par l'utilisation de plusieurs techniques (RBS, PL, MET et PAS) et une étude de la variation de la constante diélectrique par utilisation de la spectroscopie IR avec le développement d'un modèle de la fonction diélectrique et des mesures C(V). Pour la caractérisation structurale, les principaux résultats confirment pour le cas du Kr, une distribution homogène de ce dernier jusqu'à 400°C. Pour le cas du Xe, le profil de distribution en profondeur de Xe est quasi-gaussien. Le Xe reste stable dans le SiO2 jusqu'à 900°C et désorbe à 1100°C et les bulles se transforment en cavités. Les bulles sont formées au niveau du pic des lacunes (p(lacunes)R). Alors qu’en l’absence des bulles, le Xe se localise à la profondeur de fin de parcours du Xe (RpXe) calculée par SRIM. On note aussi la présence de défauts chargés négativement et des défauts paramagnétiques E'. Ces défauts négatifs disparaissent après un recuit à 750°C. La forme des bulles, pour les deux cas Xe et Kr, est influencée par la position de l'interface SiO2/Si; sans doute à cause de la différence des modules d'Young des deux matrices. L'IR et les mesures C(V) ont permis de montrer que l'implantation des deux gaz fait diminuer la valeur de la constante diélectrique jusqu'à 2.8 pour le cas Kr et entre 1.8 et 2.4 pour le cas Xe. La cohérence des résultats obtenus par les deux techniques montrent bien que ces deux gaz rares peuvent être utilisés pour la réalisation de SiO2 de faible constante diélectrique avec un impact plus important quand le Xe est utilisé. Cette étude a permis aussi de montrer la contribution de la polarisabilité et de la porosité sur la réduction de la valeur de la constante diélectrique du SiO2 implanté
This thesis aims to get a deep insight of Kr and Xe-implanted amorphous SiO2 for its possible application as low-k material. This work is divided in two parts: Two sides are examined: a structural study by using several techniques (RBS, PL, MET et PAS) and investigation of the evolution of the dielectric constant by using IR spectroscopy with a dielectric function model developing and C-V measurements. From structural characterization, our main results confirm, in the case of Kr implantation, an homogeneous distribution for temperature up to 400°C. For Xe, the distribution profile is quasi-gaussian. Xe remains stable in SiO2 then desorbs completely at 1100°C. We demonstrated that Xe-bubbles are located at the projected range of vacancies (RPV) as simulated by SRIM. However, we also showed that if Xe dose is not higher enough to induce bubbles, Xe is located at RP. Such a behavior helps understanding the formation of Xe-bubbles in SiO2. We reported the presence of negative defects charge and the paramagnetic defects E'. These defects disappear after 750°C annealing. The shape of bubbles induced by both Kr and Xe is SiO2/Si interface dependent. They are spherically shaped when interface is closed and quite irregular when this one is far. Differences in Young Modulus of Si and SiO2 can probably explain such a behavior. IR and C-V measurements show that Xe and Kr implantation result in decreasing the dielectric constant value down to 2.8 in the Kr case and in the range 1.8-2.4 in the Xe case. The good agreement between k values provided by IR and C-V measurements clearly valids the fact that Kr or Xe-implantation in SiO2 is a powerful approach to building low-k dielectrics. With Xe leading to a higher decrease. This study has also pointed out the contribution of both the polarisability and the porosity in the reduction of the dielectric constant of the implanted SiO2

Malgré les gros efforts de recherche consacrés depuis dix ans à l'étude de nouveaux films minces d'oxyde à grande permittivité kappa pour remplacer la silice en microélectronique, les relations qui existent entre les propriétés structurales/chimiques et électriques de ces films restent encore peu explorées. Des films minces d'oxydes à base de zirconium et de lanthane, préparés par dépôt chimique de couches atomiques (ALD) sur substrats de silicium et/ou germanium, font l'objet de ce mémoire. Les paramètres quantitatifs relatifs à l'organisation à l'échelle nanométrique dans ces films et aux interfaces, déterminés par microscopie électronique en transmission à haute résolution (MEHR) et spectroscopie de pertes d'énergie d'électrons (EELS) mises en œuvre sur un microscope moderne, sont directement corrélés avec les propriétés électriques (kappa et densité d'états d'interface Dit). Par recuit sous vide, le sesquioxyde La2O3 peut-être obtenu avec sa phase hexagonale de grande permittivité (kappa ~ 27) mais il s'hydrolyse rapidement et une couche interfaciale amorphe étendue de type silicate et de faible permittivité se forme à l'interface avec le silicium. L'oxyde ternaire LaxZr1-xO2-delta (x = 0,2) est non hygroscopique. Sur substrat de silicium et avec x ~ 0,2, il est stabilisé après recuit sous sa forme cubique (kappa ~ 30) avec une couche interfaciale amorphe riche en silice peu étendue. Sur substrat de germanium et avec x ~ 0,05, il est stabilisé en contact direct avec le substrat sous sa forme tétragonale de plus grande permittivité (kappa ~ 40) grâce à la diffusion du germanium dans le film. Le lanthane, présent surtout près de l'interface, forme un germanate qui diminue Dit. Ce travail a été développé dans le cadre du programme européen REALISE
Despite the considerable research work devoted since ten years to the study of new high permittivity (kappa) thin films for replacing silica in microelectronics, the relationships that exist between the structural/chemical and electrical properties of the films are not widely studied today. Thin Zr- and La-based oxide films, prepared by atomic layer deposition on silicon and/or germanium, are considered in this work. Quantitative parameters in relation with the organization at the nanometre level in the films and at the interfaces, determined by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and electron energy-loss spectroscopy (EELS) operated on a modern electron microscope, are directly connected to electrical parameters such as kappa and Dit (interface state density). After annealing under vacuum, the La2O3 sesquioxide can be obtained with its high permittivity hexagonal phase (kappa ~ 27) but is not stable. It is hygroscopic and forms with the silicon substrate an extended amorphous interfacial layer silicate in composition. The LaxZr1-xO2-delta (x = 0. 2) ternary oxide is not hygroscopic. On a silicon substrate and with x ~ 0. 2, it is stabilized in the cubic structure (kappa ~ 30) with annealing and forms a silica-rich interfacial layer with a spatial extension limited to 1-2 nanometres. On a germanium substrate and with x ~ 0. 05, the ternary is stabilized with the high permittivity tetragonal structure (kappa ~ 40) due to germanium diffusion within the film and develops in direct contact with the substrate. Lanthanum is essentially present near the interface and forms a germanate that lowers the Dit. This work has been developed in line with the European program REALISE

Les techniques diélectriques haute fréquence permettent, grâce à une détermination de la permitivité complexe de mettre en évidence l'évolution de la conductibilité électronique au cours d'une réaction chimique. L'activation de la malachite par les ions sulfure ou hydrure se traduit, par un accroissement important de la conductivité du carbonate. La désactivation de la malachite sulfurée ou l'adsorption des cations métalliques (AG#2#+, HG#2#+) ou encore des collecteurs xanthate par la malachite sulfurée entraîne une perte de la conductibilité

L’auteur propose une méthode de mesure de la permittivité des matériaux solides pour laquelle il suffit de disposer d'un échantillon de très petite taille. La méthode met en œuvre une cavité hélicoïdale. Il traite en détail la propagation des ondes électromagnétiques dans un guide hélicoïdal et montre qu'un élément de ligne court-circuite à ses extrémités constitue une cavité dont la particularité et de résonner a un intervalle régulier dans un large domaine de fréquence. Cette particularité permet d'effectuer des mesures de la permittivité des matériaux sur une large bande de fréquence. L’interprétation des résultats est faite par une formule qui généralise la formule des petites perturbations. L’auteur justifie cette formule et la procédure d'étalonnage qu'il recommande, en présentant des résultats concernant plusieurs liquides de références. Par ailleurs on peut mettre à profit l'homogénéité de la température dans un échantillon de petite taille pour faire des mesures précises en fonction de la température. Enfin, l'auteur montre que les cavités hélicoïdales peuvent aussi être utilisées pour réaliser des applicateurs microondes industriels performants, destines au chauffage des matériaux peu absorbants

Le sondage du sous-sol à l'aide d'un puits de forage est un moyen couramment utilisé dans les études géophysiques et dans la recherche d’hydrocarbures. Ce travail concerne les possibilités du sondage électromagnétique du sous-sol dans un tel puits de forage, sondage dont le but est de permettre d'accéder aux valeurs de la permittivité et de la conductivité du sous-sol. Le principe de l'outil de sondage est le suivant : une petite boucle de courant placée sur l'axe du puits rayonnant à 25 MHz, produit une onde à symétrie axiale, dont une partie se propage dans le sous-sol et revient dans le puits. La mesure du champ par une boucle réceptrice placée sur l'axe à une certaine distance de la source, permet d'estimer la permittivité et la conductivité du sous-sol. Plusieurs modèles de géométries différentes sont étudiés par l'intermédiaire de formulations exactes et approchées. La première partie de ce mémoire est consacrée à l'approximation du Dipôle Equivalent, qui facilite la détem1ination précise et efficace des paramètres du sous-sol. Dans la deuxième partie, est analysé le phénomène de diffraction produit lorsque l'outil se déplaçant le long du puits vertical traverse une interface horizontale qui sépare deux demi-espaces de caractéristiques différentes. De nombreuses simulations numériques permettent d'illustrer la précision du diagnostic des paramètres électriques de divers milieux en fonction des caractéristiques du puits, de la source et des récepteurs.

Ce travail présente une méthodologie pour étudier les lois de mélange des matériaux composites, en vue de la détermination de leurs propriétés électromagnétiques. La première partie présente un recueil des modèles existants pour décrire les propriétés diélectriques des mélanges, ainsi que les théories qui décrivent le phénomène de la percolation et les études à propos de la variation de la permittivité en fonction de la fréquence. Tous les modèles qui décrivent ces études ont été introduits dans un logiciel, qui accomplit des analyses selon les types des données disponibles: il peut effectuer une analyse comparative des lois de mélange appliquées à un système donné, ou bien calculer la permittivité diélectrique d'une des phases si elle n'est pas connue, ou encore calculer les paramètres critiques de la percolation et aussi étudier la variation de la permittivité en fonction de la fréquence. Ce logiciel présente une interface graphique conviviale, et un guide qui permet à l'utilisateur d'avoir accès aux renseignements théoriques à partir desquels les conclusions ont été dégagées. Ayant comme base ce logiciel, les lois de mélange ont été appliquées à plusieurs systèmes, tels que des émulsions eau-huile et des systèmes poudre-air. Les résultats obtenus ont permis de vérifier les modèles les plus adaptés à chaque type de système, ainsi que de vérifier leurs comportements en fonction de la fréquence et d'effectuer des études des paramètres qui donnent des éléments pour la prévision du seuil de la percolation

Des films de polyfluorure de vinylidène et de polypropylène, chargés en titanate de baryum, sont réalisés par extrusion. Les propriétés diélectriques de ces films sont mesurées dans différentes conditions. Les films à matrice PVDF présentent les meilleures caractéristiques pour une application de stockage d'énergie. L'évolution de la permittivité relative et de la rigidité diélectrique en fonction du taux volumique de charge, sont modélisées respectivement par la théorie de la percolation et par un modèle semi-empirique. Les mélanges sont étudiés en rhéométrie dynamique et capillaire. Les interactions interparticules donnent naissance à un réseau dont la structure est dépendante de la sollicitation appliquée. En écoulement de poiseuille, des instabilités d'écoulement ainsi que des défauts d'écoulement sont observés pour des gradients de vitesse de cisaillement relativement faibles

Les matériaux de structure pérovskite de formule générale ABO3 sont les ferroélectriques les plus étudiés pour leurs propriétés intéressantes dans de nombreuses applications technologiques. Cependant leurs propriétés sont directement reliées à la structure et sont fortement conditionnées par les transitions de phases qui dépendent de la température, de la composition chimique et de la pression. Dans le manuscrit de thèse, le comportement sous haute pression de deux matériaux pérovskite SrTi1-xZrxO3 (STZ) et KNb1-XTaXO3 (KNT) est étudié et différentes techniques de frittage pour améliorer la densité des céramiques et optimiser les propriétés ferroélectriques des céramiques K(Nb0.40Ta0.60)O3 et (KxNa1-x)Nb0.6Ta0.4O3 sont examinées.Des analyses sous hautes pressions par spectroscopie Raman et diffraction des rayons X des poudres de SrTi1-xZrxO3 (x= 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7) et KNb1-XTaXO3 (x=0.4, 0.5, 0.6, 0.9) en enclume diamant ont été réalisées. Les spectres Raman montrent une augmentation des modes Raman avec la pression pour les poudres de STZ indiquant que la pression induit des transitions de phases vers des symétries plus basses de la maille dans ces composés.De plus, les expériences de spectroscopie Raman ont fait apparaître une décroissance des modes Raman lorsque la pression est augmentée, montrant bien que la pression induit des transitions de phases vers des structure plus symétriques. L'évolution du mode Raman principal pour les phases orthorhombique et quadratique a été suivi jusqu'à ce que la phase cubique apparaîsse, ce qui nous a permis de proposer un diagramme de phase pression-composition pour les composés KNT.Trois différentes techniques de frittage, utilisation d'additifs, frittage en deux paliers et SPS ont été étudiées pour les céramiques de K(Nb0.4Ta0.6)O3 et (KxNa1-x)Nb0.6Ta0.4O3 . La constante diélectrique et les pertes en fonction de la température des céramiques ont été améliorées par l'utilisation du KF comme additif de frittage et par le frittage en deux paliers. Les échantillons densifiés par SPS présentent une microstructure fine et possèdent les plus fortes densités. Ils ont les meilleurs propriétés ferroélectriques. Aucun changement significatif de la température de Curie ne semble être induit par le taux de Na, et on observe cependant une augmentation de la constante diélectrique et des propriétés ferroélectriques suivant le taux de Na
Perovskite materials whose general chemical formula is ABO3 are one of the most study ferroelectrics due to the interesting properties that they have for technological applications. However, their properties are directly related to structural phase transitions that could depend of temperature, composition and pressure. In the studies presented here, we first examined the high-pressure behavior of two perovskite materials SrTi1-xZrxO3 (STZ) and KNb1-XTaXO3 (KNT), and we later continued to investigate different sintering techniques in order to improve the densification, dielectric and ferroelectric properties of K(Nb0.40Ta0.60)O3 and (KxNa1-x)Nb0.6Ta0.4O3 ceramics.High-pressure Raman scattering and X-ray diffraction investigations of SrTi1-xZrxO3 (x= 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7) and KNb1-XTaXO3 (x=0.4, 0.5, 0.6, 0.9) powders were conducted in diamond anvil cells. Raman scattering experiments showed and increased of Raman modes with pressure for the STZ samples, which indicates that pressure induced phase transitions towards lower symmetry for these compounds.Moreover, high pressure Raman spectroscopy experiments showed a decrease of the Raman modes as the pressure was increased for the KNT samples, showing that pressure induced phase transitions towards higher symmetries. The evolution of the main Raman modes for the orthorhombic and tetragonal phases were followed until the cubic phase was reach, and allowed us to propose a pressure-composition phase diagram for the KNT compounds.Three different sintering techniques, sintered aids, two step sintering and spark plasma sintering, were used on K(Nb0.4Ta0.6)O3 and (KxNa1-x)Nb0.6Ta0.4O3 ceramics. The use of KF as sintered aid and the two step sintering method showed an improvement of the dielectric constant and dielectric losses of these samples. SPS samples presented a fine microstructure with the highest density and the best ferroelectric behavior. We did not detect any changes on the Curie temperature due the amount of Na but and increase of the dielectric constant and the ferroelectric properties was observed due to the amount of Na

Les besoins de la microélectronique pour les condensateurs de type DRAM sont résumés dans la feuille de route ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors). Pour descendre en dessous du noeud technologique 22 nm, des performances électriques telles qu'une épaisseur d'oxyde équivalent (EOT) < 0.5 nm et un niveau de courant de fuite < 1.10-7 A/cm² à 0.8 V sont nécessaires. Ces performances sont difficiles à atteindre si l'on considère des oxydes standards largement utilisés tels que le SiO2, le Si3N4 ou l'Al2O3. Le dioxyde de Titane constitue un matériau diélectrique de choix pour ce type d'application si l'on considère sa forte constante diélectrique, la plus haute des oxydes binaires. Selon les conditions de croissance de la couche de TiO2, celle-ci peut se présenter sous forme amorphe ou posséder une structure cristalline appelé phase anatase ou phase rutile. Cette dernière présente une très forte constante diélectrique (90 à 170 selon l'orientation de la maille cristalline) et en fait un atout indéniable pour le développement de condensateur DRAM. Toutefois, cette phase rutile est aussi à l'origine d'un fort courant de fuite mesuré à partir des structures Métal - Isolant - Métal (MIM) associées. De ce fait, il est primordial de savoir contrôler ces courants de fuite tout en gardant la forte valeur de constante diélectrique de la phase rutile. Dans ce travail, nous proposons de travailler sur la croissance des couches minces de TiO2 intégrées dans des structures MIM et déposées sur des substrats différents tels que des électrodes de RuO2/Ru ou de Pt. La technique de dépôt employée pour les couches minces de TiO2 est la technique ALD pour son contrôle très précis de l'épaisseur déposée et sa souplesse d'utilisation pour ce type d'applications. Les propriétés physico-chimiques des couches de TiO2 et l'influence du substrat sur ces propriétés sont analysées. Des compositions différentes de diélectriques sont élaborées au moyen de la technique de dépôt par ALD et notamment des couches minces de TiO2 dopés à l'aluminium. Les propriétés électriques de ces couches sont étudiées afin de déterminer les performances électriques des structures MIM associées en termes de courant de fuite et de densité capacitive
The requirements for future dynamic random access memory (DRAM) capacitors are summarized in the International Technology Roadmap for Semiconductors. For sub-22 nm node, performances like equivalent oxide thickness (EOT) < 0.5 nm and leakage current density < 1.10-7 A/cm² at 0.8 V are required but are difficult to meet. Titanium dioxide (TiO2) is an attractive dielectric material for such application regarding its high dielectric constant (k). Depending on its growth conditions, TiO2 can be prepared in amorphous, anatase or rutile phase. From the structural point of view, it is generally preferred that TiO2 remains amorphous throughout a complete technological process to minimize leakage transport along grain boundaries. However, the rutile phase exhibits very high dielectric constant ranging from 90 to 170, depending on the lattice orientation. Due to this high dielectric constant, TiO2 rutile phase is considered as a promising material for capacitors in future generations of Dynamic Random Access Memories (DRAMs). A key issue is how to control the high leakage current of rutile phase while keeping the highest dielectric constant in order to get the best electrical performances. In this work, we investigate the growth of high dielectric constant rutile TiO2 films in Metal - Insulator - Metal (MIM) structures deposited on different substrates such as RuO2/Ru or Pt electrodes using ALD (Atomic Layer Deposition). A study of physico-chemical properties of TiO2 layer and influence of bottom electrodes on TiO2's crystalline structure is proposed. Different compositions of dielectrics are processed using flexibility of ALD deposition technique, including Al-doped TiO2 layers and pure TiO2 layers. Electrical properties in terms of leakage current or capacitance density of MIM structures embedding that kind of dielectrics and comparison between these MIM structures in terms of electrical performances is proposed in order to determine the best dielectric film composition to meet the requirements for next generation of DRAM capacitors

Mesure de permittivité diélectrique complexe des pulpes de minerais dans le domaine des hautes fréquences afin de différencier les intéractions physicochimiques engagées entre les collecteurs et les minerais. Étude de flottation sous champ électromagnétique intense dans un tube de hallimond et dans cellule prototype. Amélioration du rendement et de la sélectivité du procédé par irradiation haute fréquence des pulpes

Le développement des mémoires dynamiques (DRAM) à haute performance basées sur la structure métal-isolateur-métal (MIM) nécessite de remplacer la couche de dioxyde de silicium par des matériaux diélectriques à haute permittivité diélectrique. L'utilisation de ces isolants dits high-k permet de réduire la taille du dispositif DRAM tout en conservant une densité de capacité élevée et un faible courant de fuite pour diminuer la fréquence de rafraichissement. Parmi les nombreux matériaux high k, le dioxyde de titane (TiO2) est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de sa constant diélectrique relativement élevée pouvant atteindre 170 dans le TiO2 cristallisé en phase rutile. De plus, il est possible d’obtenir cette phase à basse température par le procédé ALD (< 250 °C) si le dépôt est réalisé sur un substrat RuO2 (phase rutile) grâce à une très faible différence de paramètres de maille entre les deux matériaux. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier les mécanismes des réactions chimiques qui se produisant à l'interface RuO2/TiO2 lors du dépôt et leur influence sur les propriétés structurales et diélectriques du film TiO2, en particulier l'influence des espèces oxydantes, le plasma O2 et le H2O. L’influence des électrodes supérieure et inferieures sur les propriétés électriques et structurales de TiO2 a également été étudiée. Ensuite, la constante diélectrique, la conductivité ac et la tangente de perte des structures MIM à base d’oxyde de titane dopé aluminium ont été étudiés dans une gamme de fréquences large bande, de 1 Hz à 2 GHz. Enfin, la réalisation des MIM tridimensionnelles (3D) utilisant un substrat de silicium structuré en réseaux des trous coniques denses a été démontrée. Les structures MIM 3D réalisées ont permis d’augmenter sensiblement la densité de capacité tout en gardant de bonnes performances en termes de courant de fuite
The development of high performance dynamic random access memory (DRAM) based on metal-insulator-metal (MIM) structure made it necessary to replace the conventional silicon dioxide layer by dielectric materials with high dielectric constants. The use of these so-called high-k insulators allows aggressive scaling of DRAM devices while keeping high capacitance density and, more importantly, low leakage current. Among the numerous high k dielectrics, titanium dioxide (TiO2) is one of the most attractive candidate due to its rather high dielectric constant (k). Rutile TiO2 is the interesting phase due to its high dielectric constant and the possibility to deposit this phase at low temperature by ALD (< 250 °C) by using RuO2 substrate thanks to a very small lattice mismatch between the two materials. The main objective of this thesis is to investigate the surface chemical reactions mechanisms at the RuO2/TiO2 interface and their influence on the ALD TiO2 film properties, especially the influence of oxidizing species, namely, H2O or O2 plasma. The influence of bottom and top electrode on electrical and structural proprieties of TiO2 MIM structure was also studied. Then, the dielectric constant, the ac conductivity and the loss tangent of aluminum doped titanium oxide are measured through a wide band frequency range, from 1 Hz to 2 GHz. Finally, the feasibility of three-dimensional (3D) MIM structures was studied by using dense array of truncated conical holes etched in a silicon substrate. The 3D MIM capacitors showed a large increase in the capacitance density while retaining very good electrical properties especially a leakage current comparable to planar MIM devices

L'objectif de ce travail est de développer et d’étudier une nouvelle classe de fluidesintelligents à base de dispersions colloïdales de carbone, sensibles à un stimulus externe pour desapplications de conversion et stockage d’énergie. Ces stimuli sont de différentes natures : vibrationmécanique, mouvement humain, variation de pression ou écoulement d'un solvant, et peuventaltérer les structures de tels systèmes. Ceci induit une modification de la structure locale desparticules et par conséquent des propriétés diélectriques et électriques. Habituellement, lessuspensions de matériaux carbonés sont étudiées au repos ou séchées. Toutefois, comprendre leurcomportement en flux est essentiel pour de nouvelles applications où ces matériaux sont exploitésdans des conditions dynamiques telle que le stockage d'énergie électrochimique assisté par flux(FAES). Par exemple, les matériaux à base de graphène jouent désormais un rôle important dans lesnouvelles technologies énergétiques. Ils sont utilisés comme additifs conducteurs dans lesassemblages d'électrodes, mais en raison de leur forme anisotrope spécifique, ils permettentégalement d’obtenir des fluides diélectriques sous écoulement.Les cristaux liquides d'oxyde de graphène, en tant que matériau souple électrostrictif, sont étudiéspour la récupération d'énergie mécanique, ainsi que des dispersions de noir de carbone pour lestockage d'énergie.Les propriétés diélectriques et électriques de ces dispersions fluides dans des conditions statiques etdynamiques sont mesurées et analysées. Enfin, l’effet de l’écoulement sur l’orientation et laréorganisation locale des particules et leur comportement diélectrique et électrique sont examinés
The aim of this work is to develop and study a new class of smart fluids made of colloidalcarbon-based dispersions, which are sensitive to an external stimulus for energy storage orconversion applications. The effect of an external input, such as mechanical vibration, humanmotion, variable pressure, flowing of a solvent, can alter the structures of such systems.Consequently these changes induce modifications of the dielectric and electrical properties. Usually,the suspensions of carbon materials are investigated at rest or dried. However, their flow behavior iscritical when new technologies, which exploit these materials in dynamic conditions such as FAES(Flow-Assisted Electrochemical Energy Storage) are considered. For example, graphene-basedmaterials are now playing a significant role in energy materials. They act as conductive additives inelectrode assemblies, but due to their specific anisotropic shape they also provide a new route toachieve dielectric liquid media.In details, Graphene Oxide liquid crystals as electrostrictive soft material for mechanical energyharvesting and Carbon black dispersions as percolated flowable electrodes for capacitive energystorage are investigated.In particular, the dielectric and electrical properties of these flowable dispersions are studied understatic and dynamic conditions. The effect of the flow-rate on the local orientation and reorganizationof the particles and their related dielectric and electrical behavior are examined

Cette thèse est consacrée à des mesures de transport électronique dans des transistors mono-électroniques de type MOSFET silicium à base de nanofil.
L'îlot de blocage de Coulomb n'est pas formé par des constrictions ou des barrières d'oxyde mais par une modulation du dopage et une grille couvrant la partie centrale du fil. Ces dispositifs sont des transistors mono-électroniques très stables et bien contrôlés.
Quand il ne contient que peu d'électrons, l'îlot est dans un régime localisé où l'espacement entre résonances de Coulomb est très irrégulier. A partir de quelques dizaines d'électrons l'îlot devient diffusif. Dans ce cas les fluctuations de l'espacement entre résonances sont petites et correspondent à l'espacement entre niveaux à une particule.
Le blocage de Coulomb contrôlé permet d'analyser les barrières formées par les parties faiblement dopées du fil. A petite échelle, le remplissage de dopants individuels cause des anomalies dans le spectre de Coulomb qui permettent de remonter à la matrice de capacité, la position approximative, la dynamique et le spin des dopants. A grande échelle l'augmentation de la densité électronique dans les barrières avec la tension de grille entraîne une forte augmentation de la constante diélectrique dans les barrières. Nous observons un bon accord entre constante diélectrique et conductance des barrières via les lois d'échelle de la transition métal-isolant.

Les matériaux ferroélectriques suscitent beaucoup d’intérêt du fait de leurs propriétés physiques telles que la piézoélectricité, la ferroélectricité ou encore leur permittivité élevée. Ainsi, on cherche à les intégrer dans les micro- et nano-systèmes dans lesquels on les retrouve généralement sous forme de couche mince dans une configuration de type capacité plane. En particulier, l’oxyde de plomb, titane et zirconium (PZT) est un matériau très attractif pour les applications RF capacitives du fait de sa grande permittivité. Son intégration sur des électrodes métalliques, i.e. les lignes coplanaires constituant le guide d’onde, implique de maîtriser sa croissance en film mince. L’application d’une tension dans un dispositif RF actif impose également de contrôler les propriétés électriques : nature des courants de fuite et comportement ferroélectrique du PZT. Dans ce contexte, les couches minces de PZT sont déposées par ablation laser (PLD) sur un empilement La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃ (LSMO) / Pt (111) déposé sur un substrat monocristallin de saphir. La couche d’accroche conductrice LSMO est nécessaire afin d’éviter la formation d’une phase pyrochlore paraélectrique. Le contrôle de l’orientation cristalline de la couche de LSMO permet de contrôler la texturation de la couche de PZT. Les courants de fuite au travers de l’empilement Pt/PZT/LSMO/Pt ont ensuite été étudiés dans l’intervalle de température 220-330K de façon à déterminer les mécanismes de conduction. Une transition a été mise en évidence entre, autour de la température ambiante, un mécanisme contrôlé par la diffusion des charges en volume et, à basse température, un mécanisme contrôlé par l’injection des charges aux interfaces électrode/PZT. Un mécanisme par sauts a été identifié au-dessus de 280K en cohérence avec la présence de défauts étendus et la structure colonnaire du PZT. Afin de contrôler ces courants de fuite, différentes stratégies ont été utilisées. La première consiste à insérer une couche d’oxyde isolante à l’interface supérieure Pt/PZT modifiant ainsi l’injection des charges et permettant de réduire les courants de fuite. La seconde stratégie consiste, quant à elle, à modifier la structure de la couche de PZT en volume en élaborant des composites diélectrique/PZT multicouches ou colonnaires. Ainsi, une couche d’oxyde isolante a été insérée au milieu de la couche de PZT et a permis de réduire les courants de fuite. Le contrôle de la nucléation du PZT a également permis par nanofabrication d’élaborer un composite colonnaire pérovskite PZT/pyrochlore. La densité de piliers de pyrochlore dans la phase ferroélectrique permet de moduler la densité de courant dans la structure. Le PZT et les hétérostructures permettant de réduire les courants de fuite ont ensuite été intégrés dans une structure RF capacitive avec des lignes coplanaires d’or. Les performances RF en termes d’isolation et de pertes par insertion ainsi que la compatibilité de ces différents matériaux ont été étudiées et ont montré que les solutions développées dans le cadre du contrôle des courants de fuite sont prometteuses pour être intégrées dans les dispositifs RF capacitifs. En outre, on a cherché à extraire la permittivité à haute fréquence du PZT lorsque celui-ci est inséré dans une structure capacitive. Cette étude a notamment permis de mettre en évidence les points techniques à modifier concernant la structure du dispositif afin de parvenir à exploiter les propriétés physiques du PZT à haute fréquence
Ferroelectric materials are raising a lot of interest due to their physical properties such as piezoelectricity, ferroelectricity or high dielectric constant. Thus, they are generally integrated in micro- and nano-systems as thin films in a capacitive configuration. Especially, the lead zirconate titanate oxide (PZT) is an attractive material for capacitive RF applications due to its high dielectric constant. The growth of the PZT thin film has to be controlled on metallic electrodes for its integration on coplanar transmission lines. Moreover, electrical properties such as leakage current and ferroelectric behavior of PZT have to be monitored upon application of a dc voltage bias for RF device operation. In this context, PZT thin films were grown by the pulsed laser deposition technique (PLD) on a La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃ (LSMO) / Pt (111) electrode on a monocrystalline sapphire substrate. The LSMO buffer layer is mandatory to avoid the formation of the paraelectric pyrochlore phase. The control of the crystalline orientation of the LSMO layer allows for the control of the PZT layer texture. Leakage currents through the Pt/PZT/LSMO/Pt stack were then studied in the 220-330K temperature range to determine the conduction mechanisms. A transition is evidenced between a bulk-controlled mechanism near room temperature and an interface-controlled mechanism at low temperature. A hopping mechanism is identified above 280K in line with the presence of extended defects and the columnar structure of the PZT layer. Several strategies were tested to control leakage currents. The first one consists in inserting an insulating oxide layer at the top Pt/PZT interface. In this way, charge injection was modified and leakage currents were reduced. The second strategy consists in changing the PZT layer bulk structure by elaborating a layered or columnar dielectric/PZT composite. Thus, an insulating oxide layer was inserted in the middle of the PZT layer and permitted to reduce leakage currents. Moreover, the control of the PZT nucleation allowed for the elaboration of a columnar PZT/pyrochlore composite. The leakage currents in this composite can be tuned through the pyrochlore pillars density among the ferroelectric matrix. Then, PZT and the heterostructures for leakage current control were integrated in a capacitive RF structure with gold coplanar transmission lines. RF performances in terms of isolation and insertion loss of these materials were studied and gave good results. In particular the heterostructures developed to control the leakage currents are promising for their integration in capacitive RF devices. Besides, I tried to extract the permittivity of PZT at high frequency with the PZT layer in a capacitive configuration. This study highlighted the essential modifications of the capacitive structure that have to be made in order to be able to exploit PZT properties at high frequency

Ce manuscrit se focalise sur l’effet de divers matériaux composites sur les différentes problématiques de compatibilité électromagnétique dans un véhicule automobile. Les modèles surfaciques des matériaux diélectriques sont validés en confrontant des résultats de mesures et de simulation de leurs permittivités. Ceux des matériaux conducteurs le sont en confrontant le modèle d’impédance de surface à un modèle filaire et en effectuant des mesures des simulations de paramètres S sur une structure majoritairement constituée par un matériau de ce type. Dans les deux cas, la technique de modélisation donne de bons résultats. L’évaluation de l’effet de ces matériaux sur les problématiques de CEM au niveau d’un véhicule est faite sur un démonstrateur qui intègre les équipements et les faisceaux embarqués dans un véhicule en les représentants par des monopôles et des fils conducteurs. L’évaluation des effets des différents matériaux composites sur les problématiques CEM est faite par mesure et simulation des couplages électromagnétiques à l’intérieur du démonstrateur et entre le démonstrateur et une antenne test. L’analyse des couplages électromagnétiques confirme que le modèle d’impédance de surface reproduit assez bien les comportements des matériaux composites étudiés. Concernant l’effet des matériaux composites sur les problématiques CEM au niveau d’un véhicule, cette étude mène à deux résultats majeurs du point de vue de la compatibilité électromagnétique. Le premier concerne l’usage des matériaux diélectriques qui augmente globalement la plupart des couplages mesurés de 5 dB à 30 dB. Le second porte sur le matériau conducteur étudié qui n’a quasiment aucun effet sur les différents couplages analysés en comparaison de la structure en acier
The main concern of this thesis is the characterization of the impacts of some composite materials on the main electromagnetic compatibility issues in a vehicle. The surface models of the dielectric materials are validated by confronting their simulated and measured permittivity. The surface model of the studied conductive material is validated by confronting it to a wire model and by measuring and simulating the S parameters on a structure constituted by such a material. It appears in both cases of dielectric and conductive composite materials that the surface impedance modeling technique gives a good description of the materials. The analysis of the effects of these materials on the EMC issues within a vehicle is done by use of a demonstrator representing the car body. The different equipment and harnesses embedded in a vehicle are represented in the demonstrator by some wires and monopoles. The evaluation of the impact of the composite materials on the EMC issues is done by measuring and simulating the different couplings within the demonstrator and between the demonstrator and a test antenna. The analysis of the different couplings confirms that the surface impedance material modeling approach describes well the materials under test. Concerning the impact of the composite materials on the EMC issues at a vehicle level, this analysis fulfills two main results. The first one concerns the dielectric materials. Indeed the use of these materials increases the different coupling by a value varying between at least 5 dB to 30 dB. The second conclusion concerns the use of conductive composite materials. It appears that they have no effect on the different couplings in comparison to the full steel structure

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont centrés sur l'analyse diélectrique de deux familles de matériaux diélectriques en couche mince et à forte permittivité : la première concerne des pérovskites de type SrTiO3 et la seconde est un nanocomposite constitué d'une matrice de carbone amorphe contenant des particules métalliques de nickel. Concernant les couches SrTiO3, élaborées par IBS (Ion Beam sputtering) au CEA-Leti à Grenoble, les propriétés diélectriques (constante diélectrique ', pertes '' et facteur de dissipation tan) sont analysées en fonction de la fréquence, de la température de fonctionnement, de la température de recuit des couches et de l'épaisseur des couches. Les changements diélectriques observés sont discutés en fonction de la cristallinité du matériau, de mécanismes de relaxation interfaciale, de contrainte mécanique, de la migration de lacunes d'oxygène, de l'existence d'une couche interfaciale de permittivité modérée. Concernant les couches composites nickel/carbone amorphe, élaborées au LEMD dans un réacteur plasma microonde de type DECR (distributed electron cyclotron resonance), les analyses diélectriques ont permis de mettre en évidence un fort mécanisme de polarisation interfaciale dans ces composites. Les résultats sont discutés en fonction du taux de nickel incorporé dans la matrice. Ce manuscrit se termine par une présentation de perspectives intéressantes d'étude de propriétés diélectriques concernant des matériaux (i) à faible permittivité, (ii) à forte permittivité et (iii) nanocomposites... Ainsi sont présentés des travaux préliminaires menés sur des films de parylène (polymère utilisé entre autres dans des lentilles liquides), une suggestion de continuité d'études sur les couches de type SrTiO3, des travaux sur des oxydes à forte permittivité Ta2O5 (intégration high  dans des circuits intégrés) et enfin plusieurs études concernant des nanocomposites (métal/carbone amorphe, silice/silicone, résine époxy/nanotubes de carbone, composites polymères/particules non linéaires).

L'amélioration des performances des circuits intégrés nécessite le développement de nouveaux matériaux comme, par exemple, les diélectriques à très faible permittivité, appelés Ultra Low-K (K<=2,5). Cette étude se focalise sur les matériaux a-SiOCH poreux déposés en couche mince par PECVD suivant une approche dite « porogène ». Cette approche consiste en le dépôt d'une matrice de type a-SiOCH contenant des inclusions organiques qui sont dégradées dans un second temps, grâce à l'utilisation d'un post-traitement, afin de créer la porosité. La première partie de cette étude montre que l'extension de l'approche porogène a permis d'élaborer des matériaux ayant des constantes diélectriques pouvant atteindre 2,25 en utilisant un procédé industriel avec, comme type de post-traitement, un recuit thermique assisté par rayonnement UV. Certains matériaux ont été intégrés dans des démonstrateurs. Puis, dans un second temps, l'impact du procédé d'élaboration sur la structure chimique du matériau a été analysé afin de mieux comprendre son comportement mécanique. Enfin, la mise en place d'une technique de caractérisation a permis la mesure des différentes contributions de la constante diélectrique (électronique, ionique et dipolaire). L'évolution de ces composantes en fonction des paramètres d'élaboration a ainsi pu être étudiée.

Dans l'optique d'une miniaturisation dans le secteur de la microélectronique et plus particulièrement dans celui de la téléphonie mobile, les matériaux pérovskites à très haute constante diélectrique sont des candidats intéressants au remplacement des diélectriques actuellement utilisés dans l'élaboration des capacités Métal/Isolant/Métal (MIM). Ce travail est consacré à l'élaboration et à la caractérisation de couches minces de titanate de strontium (SrTiO3) et de titanate de baryum (BaTiO3) déposées par pulvérisation par faisceau d'ions (IBS) dans des structures capacitives MIM Pt/diélectrique/Pt.
Une optimisation des dépôts à l'aide de plans d'expériences a été réalisée afin d'obtenir la constante diélectrique la plus élevée et ce, pour des températures d'élaboration les plus faibles possibles en vue de l'intégration des structures MIM sur les circuits intégrés.
Des analyses d'EXAFS, de XRR et d'AFM TUNA nous ont permis de comprendre l'influence de la microstructure des matériaux (taille de grain) et de la technologie d'élaboration des capacités (épaisseur de diélectrique, procédé de gravure de l'électrode supérieure et nature des électrodes) sur les propriétés des capacités MIM.
Une étude des multicouches SrTiO3/BaTiO3 a également été menée dans le but d'observer l'influence de la périodicité des empilements sur leurs propriétés électriques (constante diélectrique, linéarité en tension).