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Parmi tous les matériaux qui possèdent une transition de phase d’isolant à métal, le dioxyde de vanadium (VO2) a la température de transition (TIMT ≈ 68°C) la plus proche de la température ambiante. Sa transition de phase est accompagnée par une variation de résistivité électrique (Δρ) et de transmission infrarouge (ΔA) importante. Les couches minces de VO2 sont promises à de nombreuses applications dans des dispositifs électroniques et optiques. Cependant, l’utilité de ce matériau pour ces technologies serait plus importante si la TIMT était voisine de la température ambiante. Via le dopage, TIMT peut être réduite et le meilleur dopant parmi ceux étudiés jusqu’à présent est le W, mais il se traduit par une réduction de Δρ. La recherche d’un meilleur dopant qui permettrait de diminuer TIMT tout en minimisant la dégradation des propriétés électriques est donc un sujet de grande importance. Le bore et le carbone sont deux éléments qui ont été prédits par des calculs de Density Functional Theory (DFT) être d’excellents dopants pour réduire la température de transition du VO2. Par ailleurs, une technique de synthèse qui permet une haute qualité de dépôt est l’ablation laser pulsée. Le but de ce mémoire est de développer des procédés pour fabriquer par ablation laser pulsée des couches minces de VO2 dopées au bore et au carbone et d’étudier l’effet de l’incorporation de ces dopants sur les propriétés de la transition de phase des couches minces., Of all the materials that possess a metal to insulator transition, vanadium dioxide (VO2) has the transition temperature (TMIT ≈ 68°C) closest to room temperature. This phase transition is accompanied by an important variation in electrical resistivity (Δρ) and infrared transmission (ΔA). Thin films of VO2 have the potential to be used for a wide range of applications within electronic and optical devices. However, the usefulness of this material for these technologies would be greater if TMIT was closer to room temperature. Via doping, TMIT can be reduced and the most effective dopant amongst those that have been studied is W but this type of doping causes a reduction in Δρ. The search for a better dopant that could reduce TMIT while minimizing the degradation of the electrical properties is therefore of great importance. Boron and carbon are two elements that have been predicted by Density Functional Theory (DFT) to be excellent dopants to reduce the transition temperature of VO2. On another note, one synthesis technique that results in high quality of deposition is pulsed laser deposition. The goal of this master’s thesis has been to develop methods to deposit thin films of VO2 by pulsed laser deposition doped with certain elements, namely boron and carbon, and study the effect of their incorporation on the properties of the phase transition of these thin films.

Ce travail de thèse porte sur le développement de nouvelles couches minces nanocomposites par plasma froid à la pression atmosphérique. L’objectif principal est d’améliorer la compréhension des mécanismes physico-chimiques régissant ce procédé de synthèse. La stratégie adoptée est basée sur l’injection via un aérosol d’une suspension colloïdale de nanoparticules d’oxyde métallique dans une décharge à barrière diélectrique opérant en atmosphère d’azote (décharge de Townsend). Dans un premier temps, la synthèse est réalisée de manière séquentielle, la fabrication d’une matrice inorganique de silice (SiO2) étant séparée du dépôt des nanoparticules (TiO2). Ensuite, les couches nanocomposites sont obtenues par un procédé en une seule étape à travers l’injection simultanée dans la décharge des nanoparticules et d’un précurseur polymérisable organosiliciée (HMDSO). Les travaux présentés dans ce manuscrit se divisent en quatre grandes parties : tout d’abord le procédé de fabrication des nanoparticules est présenté, et une étude de leur dispersion dans divers solvants chimiques est réalisée. Puis la deuxième partie s’intéresse à l’étape de nébulisation de la suspension colloïdale, à l’analyse des distributions de taille des objets injectés et à l’étude de leur transport sans plasma. En particulier, une étude de l'influence des principales forces agissant sur leur transport est réalisée. Ces résultats permettent ensuite d’évaluer l’impact de la décharge sur le transport, et sur la réalisation des couches minces nanocomposites. Finalement, l’analyse des propriétés obtenues pour ces couches minces sur des substrats de bois est présentée dans une dernière partie., This PhD work is focused on the development of a new generation of nanocomposite thin films using cold plasma at atmospheric pressure. The main objective is to improve the understanding of the mechanisms involved in this process. The strategy is based on the injection of a metal oxide nanoparticles suspension in a dielectric barrier discharge operating in nitrogen (Townsend discharge). At first, the nanocomposite thin film is deposited sequentially: the fabrication of the inorganic matrix of silica (SiO2) is separated from the collection of the nanoparticles (TiO2). Then, the nanocomposite layers are obtained by a one-step process using a direct injection inside the discharge of nanoparticles dispersed in a polymerizable organosilicon precursor (HMDSO). This manuscript is divided into four major parts: first, the synthesis of the nanoparticles and the study of their dispersion in different solvents are presented. Then, in the second part we focus on the atomization of the colloidal suspension, on the analysis of the size distributions of the injected objects and on the study of their transport towards the discharge area. These results are then used to assess the influence of the discharge on the transport and the quality of deposited nanocomposite thin films. Finally, the thin films properties are investigated when depositing on wood substrates.

En lien avec l’avancée rapide de la réduction de la taille des motifs en microfabrication, des processus physiques négligeables à plus grande échelle deviennent dominants lorsque cette taille s’approche de l’échelle nanométrique. L’identification et une meilleure compréhension de ces différents processus sont essentielles pour améliorer le contrôle des procédés et poursuivre la «nanométrisation» des composantes électroniques. Un simulateur cellulaire à l’échelle du motif en deux dimensions s’appuyant sur les méthodes Monte-Carlo a été développé pour étudier l’évolution du profil lors de procédés de microfabrication. Le domaine de gravure est discrétisé en cellules carrées représentant la géométrie initiale du système masque-substrat. On insère les particules neutres et ioniques à l’interface du domaine de simulation en prenant compte des fonctions de distribution en énergie et en angle respectives de chacune des espèces. Le transport des particules est effectué jusqu’à la surface en tenant compte des probabilités de réflexion des ions énergétiques sur les parois ou de la réémission des particules neutres. Le modèle d’interaction particule-surface tient compte des différents mécanismes de gravure sèche telle que la pulvérisation, la gravure chimique réactive et la gravure réactive ionique. Le transport des produits de gravure est pris en compte ainsi que le dépôt menant à la croissance d’une couche mince. La validité du simulateur est vérifiée par comparaison entre les profils simulés et les observations expérimentales issues de la gravure par pulvérisation du platine par une source de plasma d’argon., With the reduction of feature dimensions, otherwise negligible processes are becoming dominant in microfabricated profile evolution. Improved understanding of these different processes is essential to improve the control of the microfabrication processes and to further decrease of the feature size. To help attaining such control, a 2D feature scale cellular simulator using Monte-Carlo techniques was developed. The calculation domain is discretized in square cells representing empty space, substrate or mask of the initial system. Neutral and ion species are inserted at simulation interface from their respective angular and energy distributions functions. Particles transport to the feature surface is calculated while taking into account ion reflection on sidewall and neutral reemission. The particles-surface interaction model includes the different etching mechanisms such as sputtering, reactive etching and reactive ion etching. Etch product transport is also taken into account as is their deposition leading to thin film growth. Simulation validity is confirmed by comparison between simulated profiles and experimental observations issued from sputtering of platinum in argon plasma source.

Les siliciures métalliques constituent un élément crucial des contacts électriques des transistors que l'on retrouve au coeur des circuits intégrés modernes. À mesure qu'on réduit les dimensions de ces derniers apparaissent de graves problèmes de formation, liés par exemple à la limitation des processus par la faible densité de sites de germination. L'objectif de ce projet est d'étudier les mécanismes de synthèse de siliciures métalliques à très petite échelle, en particulier le NiSi, et de déterminer l’effet de l’endommagement du Si par implantation ionique sur la séquence de phase. Nous avons déterminé la séquence de formation des différentes phases du système Ni-Si d’échantillons possédant une couche de Si amorphe sur lesquels étaient déposés 10 nm de Ni. Celle-ci a été obtenue à partir de mesures de diffraction des rayons X résolue en temps et, pour des échantillons trempés à des températures critiques du processus, l’identité des phases et la composition et la microstructure ont été déterminées par mesures de figures de pôle, spectrométrie par rétrodiffusion Rutherford et microscopie électronique en transmission (TEM). Nous avons constaté que pour environ la moitié des échantillons, une réaction survenait spontanément avant le début du recuit thermique, le produit de la réaction étant du Ni2Si hexagonal, une phase instable à température de la pièce, mélangée à du NiSi. Dans de tels échantillons, la température de formation du NiSi, la phase d’intérêt pour la microélectronique, était significativement abaissée., Currently metal silicide constitutes a crucial component in the formation of electrical contacts for transistors that forms the heart of modern day integrated circuits. As we reduce the dimensions of the latter, we are faced with serious problems of formation, related for example to the process limitation due to the weak density of germination sites. The objective of this project is to study at small scale the synthesis mechanisms of metal silicide, in particular NiSi, and to determine the effect of Si implantation damage on the phase sequence. We have determined the different phase sequences of the Ni-Si system for samples composed of a 10 nm Ni surface layer deposited on a-Si. These were obtained by time resolved x-ray diffraction (TR-XRD) measurements. As for samples quenched at critical temperatures we identified the different phases, their composition and their microstructure were determined by pole figures, Rutherford back scattering (RBS) spectrometry and transmission electron microscopy (TEM). We noted that for approximately half the samples, a spontaneous reaction happened before annealing. The result of the reaction was hexagonal Ni2Si, a phase unstable at room temperature, mixed with NiSi. In theses samples, the temperature of formation for the phase of interest, the NiSi, was lower.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.