Search

The development and usage of dedicated opto and microelectronic devices is an essential aspect of space and nuclear research and industries. However, in space and nuclear environments, devices are subject to intense flux of energetic particles jeopardizing their correct working by inducing the formation of free charges via ionization of materials as well as creation of crystalline defects following atomic displacements. The latter mechanism is the subject of the present PhD thesis. Atomic displacements are quite well known from a technological point of view. For example, it is acknowledged they are responsible for the drastic increase of dark current observed in image sensors, or for the loss of maximum output power of solar cells. Nonetheless, the fundamental physical origins of experimentally measured effects are still subject to debate. The difficulties encountered in the establishment of a clear link between the effects observed in technologies and the fundamental mechanisms are partly due to the very short (of the order of the femtosecond to the picosecond for an atomic collision for example) characteristic timescales of the dynamic process at stake. Indeed, experiments cannot cover dynamic process of so small characteristic times. This is the reason why, in this PhD thesis, we resort to numerical modelling to understand the links between basic physical mechanisms and deleterious effects witnessed in technologies and thus predict the response to atomic displacements effects of materials used in microelectronic applications. Aiming at this ultimate purpose, a multiscale simulation approach has been developed, allowing simulating the entire process of atomic displacements: particle-matter interactions with Monte Carlo techniques, collision cascades propagation using Molecular Dynamics, healing of the damaged structures with a kinetic- Monte Carlo code and finally the electronic characterization of defects thought to be responsible for devices degradation with ab initio methods. All the mentioned steps of this approach, except the last one, have been addressed in this thesis. In more details, lots of efforts have been undertaken to improve the models and methodologies employed in the second molecular dynamics step, regarding the stochastic aspects of cascades as well as the inclusion of electronic effects. Concerning this last aspect, a method based on ab initio Time-Dependent Density Function Theory calculations of electronic stopping power is employed. The results of the studies carried out with the objective of improving the second step of Molecular Dynamics are presented in this thesis. In addition, the three first steps of the global simulation approach are applied to Si, Ge and Si-Ge alloys, and obtained results are presented and discussed in the manuscript., Les domaines de l'ingénierie spatiale et nucléaire requièrent le développement et l'utilisation de composants opto et microélectroniques spécifiques. Or, pour des applications dans les domaines cités, les composants sont immergés dans des environnements fortement radiatifs et sont donc soumis à des flux importants de particules énergétiques qui dégradent leur fonctionnement en induisant la formation de charges libres par ionisation de la matière ainsi que la création de défauts cristallins par déplacements atomiques. Ce dernier mécanisme est le sujet de la présente thèse. D'un point de vue technologique, les effets des déplacements atomiques sont assez bien connus. Par exemple, on sait qu'ils sont responsables d'une forte augmentation du courant d'obscurité mesuré dans les capteurs d'images, ou de la perte de puissance maximale délivrée par les cellules photovoltaïques. En revanche, les origines physiques fondamentales des effets mesurés technologiquement sont encore sujettes à débat. Les difficultés rencontrées quant à l'établissement du lien entre la physique et les effets observés dans les technologies résident en partie dans la durée extrêmement courte des temps caractéristiques (de la femtoseconde à la picoseconde pour une collision atomique par exemple) des phénomènes dynamiques en jeu dans les premiers instants de la dégradation d'un composant, rendant impossible ou extrêmement compliquée la réalisation d'expériences. C'est la raison pour laquelle, dans cette thèse, nous avons recours à la simulation numérique afin de mieux comprendre le lien entre phénomènes physiques et effets observés et ainsi prédire la réponse des matériaux utilisés en microélectronique aux effets de déplacements atomiques. Une chaîne de simulation multi-échelle, décrite dans ce manuscrit, a été développée en ce sens, permettant de simuler tout le processus de déplacements atomiques : l'interaction particule-matière en Monte Carlo, la propagation de la cascade de collisions dans la matière en Dynamique Moléculaire, la guérison des structures endommagées en Monte Carlo-cinétique et enfin la caractérisation ab initio de l'activité électronique des défauts suspectés comme responsables de la dégradation de composants. Toutes les étapes, excepté la dernière, ont été adressées dans cette thèse. Plus spécifiquement, nous nous sommes appliqués à améliorer la seconde étape de Dynamique Moléculaire en insistant sur le caractère stochastique des cascades de collisions et sur l'inclusion des effets électroniques. En particulier sur ce dernier aspect, une méthode basée sur des calculs ab initio de Théorie de la Fonctionnelle de la Densité Dépendante du Temps est utilisée. Les résultats des études effectuées dans le but d'améliorer l'étape de Dynamique Moléculaire sont décrits dans la thèse. De plus, les trois premières étapes de la chaîne de simulation sont appliquées à Si, Ge et aux alliages Si-Ge, et les résultats obtenus présentés dans le manuscrit.

This PhD thesis is devoted to the demonstration of a new area selective deposition process based on the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique and to understanding the physical origin behind it.The first section of the thesis exploits Ar/SiF4/H2 plasma chemistry to selectively and locally deposit microcrystalline silicon (µc-Si) thin films on silicon oxynitride (SiOxNy) while preventing its growth on aluminum oxide (AlOx). We found that this selectivity could be achieved for specific plasma conditions, which we term Area Selective-PECVD (AS-PECVD) conditions. Our plasma-based approach is a simple method that requires only one step to grow 55 nm of µc-Si selectively on SiOxNy for a relatively short time (20 minutes) compared to the alternative atomic layer deposition based approaches. The same AS-PECVD conditions provide selectivity on different materials as well, notably on metals. In this section, we also showed cases where the Ar/SiF4/H2 plasma deposition is not selective, and where silicon growth occurred on both SiOxNy and AlOx areas.In the second section, we focused on SiOxNy and AlOx surface chemistries in order to understand the reason behind our AS-PECVD process. X-ray spectroscopy based techniques were able to detect a great quantity of fluorine atoms on AlOx area due to the formation of Al-F bonds on top of this non growth area. Therefore, Ar/SiF4/H2 plasma under AS-PECVD conditions create a “chemical mask” of AlF3 preventing the nucleation of microcrystalline silicon on AlOx area.The last section included the application of the AS-PECVD process to patterned samples fabricated by photolithography. The preparation process causes surface contamination, so that additional cleaning and plasma pretreatment steps were necessary in order to obtain selective deposition. ASD is possible on smaller SiOxNy features (in the order of 15 µm). Although the morphology and the structure of the µc-Si slightly changed for different feature dimension, the growth rate did not. Since the selectivity can still be achieved on small areas, it remains possible that AS-PECVD can be used for semiconductor fabrication., Cette thèse de doctorat est consacrée d’une part à la démonstration d'un nouveau procédé de dépôt par croissance sélective utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) et d’autre part à la compréhension de son origine physique.La première partie de la thèse exploite la chimie du plasma Ar/SiF4/H2 qui permet la croissance sélective et locale de couches minces de silicium microcristallin (µc-Si) sur une surface d'oxynitrure de silicium (SiOxNy), tandis que pour les mêmes conditions de plasma, la croissance du µc-Si n’est pas assurée sur une surface d’oxyde d’Aluminium (AlOx). Nous avons constaté que cette sélectivité ne pourrait être obtenue que pour des conditions de plasma spécifiques, appelée les conditions AS-PECVD. Notre approche basée sur le plasma, est une méthode simple qui ne nécessite qu'une seule étape pour déposer sélectivement 55 nm de µc-Si sur SiOxNy pendant une durée relativement courte (20 minutes) par rapport aux approches alternatives basées sur la technique « Atomic Layer Deposition » (ALD). Les mêmes conditions AS-PECVD assurent le dépôt sélectif sur différents matériaux, notamment sur les métaux. Dans cette section, nous avons également montré des cas où le dépôt plasma Ar/SiF4/H2 n'est pas sélectif, ce qui signifie que la croissance du silicium a eu lieu à la fois sur les zones SiOxNy et AlOx.Dans la deuxième section, nous nous sommes concentrés sur la chimie de surfaces du SiOxNy et AlOx afin de comprendre l’origine de notre procédé AS-PECVD. Les techniques basées sur la spectroscopie aux rayons X ont permis de détecter une grande quantité d'atomes de fluor sur la zone AlOx suite à la formation de liaisons Al-F au-dessus de cette zone. Par conséquent, le plasma Ar/SiF4/H2 sous les conditions AS-PECVD crée un « masque chimique» d'AlF3 empêchant la nucléation du silicium microcristallin sur la zone AlOx.La dernière section comprenait l'application du processus AS-PECVD à des échantillons à motifs fabriqués par photolithographie. La préparation de ces motifs engendre des contaminations sur les surfaces, ce qui nécessite des étapes supplémentaires de nettoyage et de traitement au plasma pour rétablir le dépôt sélectif. Le procédé de dépôt par croissance sélective est possible sur des surfaces de SiOxNy de petites dimensions (de l'ordre de 15 µm). Même si la morphologie et la structure du µc-Si aient légèrement changé sur des motifs de différentes dimensions, le taux de croissance reste constant. Étant donné que la sélectivité est possible sur de petites surfaces, ce procédé de dépôt par croissance sélective par PECVD peut être un bénéfice dans la fabrication de semi-conducteurs.

In this thesis, plasmonic and excitonic nanosources of light, two different types of nanosources excited by tunneling current, are presented.The first part of this thesis concerns the 2D semiconductors known as transition metal dichalcogenides (TMDs). Their optical and electronic properties could lead to new opportunities for applications. Here, we demonstrate a new method to electrically excite excitons in a TMD monolayer (MoSe2 and WS2) using a scanning tunneling microscope (STM), and thus we study the electroluminescence, the excitation mechanism and the different excitons in these materials. In the second part of this thesis, we study the excitation of propagating surface plasmons using inelastic tunneling current. Propagating surface plasmons are used in a variety of applications, from biosensors to photovoltaics. They could also be used in plasmonic circuits, which could replace electronic circuits in order to obtain a gain in bandwidth. Thus, for such an application, there is a need for an electrically excited nanosource of plasmons.In our experiments, nanoantennas are used to induce a resonance in the plasmon spectrum and increase the propagating surface plasmon excitation efficiency. We first used an STM to excite surface plasmons on a gold film with nanoantennas to understand the impact of the presence of the antenna on the surface plasmon emission. Then we used an integrated tunneling junction between a gold nanocube and a gold film as a nanosource of propagating surface plasmons., Dans cette thèse, deux types de nanosources de lumière différentes excitées par courant tunnel sont présentées : l'émission de lumière grâce aux plasmons et aux excitons.La première partie de cette thèse concerne des semiconducteurs 2D : les dichalcogénures de métaux de transition (TMD). Leurs propriétés optiques et électroniques ouvrent de nouvelles opportunités d'applications, par exemple dans le domaine du photovoltaïque. Ici, nous présentons une nouvelle méthode pour exciter électriquement des excitons dans une monocouche de TMD (MoSe2 et WS2) en utilisant un microscope à effet tunnel (STM), et étudions donc l'électroluminescence, le mécanisme d'excitation et les propriétés des excitons ainsi créés dans ces matériaux. Dans une seconde partie, nous étudions l'excitation de plasmons de surface propagatifs par le courant tunnel inélastique. Les plasmons de surface propagatifs sont utilisés dans des applications variées, qui peuvent aller des détecteurs biologiques au domaine du photovoltaïque. Ils peuvent également être utilisés pour alimenter des circuits plasmoniques, qui pourraient être utilisés pour remplacer des circuits électroniques afin de gagner en bande passante. Pour cette application, il y a donc besoin d'avoir une nanosource de plasmons propagatifs excitée électriquement. Dans nos expériences, des nanoantennes sont utilisées pour créer une résonance dans le spectre des plasmons, et augmenter l'efficacité d'excitation des plasmons de surface propagatifs. Nous avons tout d'abord utilisé un STM pour exciter des plasmons de surface sur un film d'or avec des nanoantennes afin de comprendre l'impact de la présence d'une nanoantenne sur l'émission des plasmons de surface. Nous avons ensuite utilisé une jonction tunnel intégrée entre un nanocube d'or et un film d'or pour exciter des plasmons de surface propagatifs.

Cadmium chalcogenide nanoplatelets II-VI semiconductors. Their thickness is controlled at the atomic scale with extreme narrow optical features. These materials are few hundreds of nanometers in length and wide with a few nanometers thickness.When passivated by halides, using a CdX2 (X = Cl, Br, I) precursor at room temperature, the CdSe 3 monolayers nanoplatelets surface energy decreases. On heating at mild temperature (160 °C), CdSe monomers dissolve from the edges and recrystallize on the wide facets. Here, nanoplatelets become a chalcogenide reservoir. The modification of the surface chemistry allows then to obtain thickernanoplatelets up to 9 monolayers and monodisperse. The versatility of the method has been proven on other cadmium chalcogenides. Thanks to the comprehension of the dissolution/recrystallization process we developed a new tool to grow shells with controlled thickness. Homo- and heterostructures have been grown by this method. For the very first time, a CdTe layer has been grown on CdSe andCdTe core NPLs. Unique stepped nanoplatelets have also been synthesized. These amazing materials are the first exemple of stress free semiconductors homostructures with confinement-induced intraparticle type I energy level alignment.The comprehension of the electronic structure of HgTe nanoplatelets was also addressed. We systematically studied the phase diagram in function of the confinement, pressure and temperature. Our results show that with pressure, nanoplatelets (strong confinement) and nanocrystals (weaker confinement) of HgTe have a similar behavior than the bulk : the gap increases with the pressure.However, the confinement regime becomes a key factor in function of temperature. When it is decreased from 300 K to 10 K, the gap decreases for large nanocrystals. This trend is less important when nanocrystals are smaller. The gap even decreases for the most confined materials which are the nanoplatelets. The modelisation of this effect showed that the second conduction band bends the firstone when the temperature is decreased., Les nanoplaquettes de chalcogénures de cadmium sont des semiconducteurs de la famille II-VI, dont l’épaisseur est contrôlée à la monocouche atomique près, permettant ainsi un contrôle fin de leurs propriétés optiques. Ces matériaux peuvent s’étendre sur une centaine de nanomètres et présenter une épaisseur de quelques nanomètres.Lorsque les nanoplaquettes de CdSe 3 monocouches sont passivées par des ligands halogénures à température ambiante grâce à un précurseur de CdX2 (X = Cl, Br, I), l’énergie surfacique diminue. En chauffant (160 °C), des monomères de CdSe se dissolvent des bords des nanoplaquettes pour cristalliser sur les grandes faces. Ici, les nanoplaquettes servent elles-mêmes de réservoir de chalcogénure La modification de la chimie de surface permet donc l’obtention d’objets plus épais jusqu’à 9 monocouches et monodisperses. La versatilité de cette méthode a été prouvée sur d’autres chalcogénures de cadmium.De plus, la compréhension du mécanisme de dissolution/recristallisation a permis de développer un outil de croissance de coque, d’épaisseur contrôlée. La synthèse d’homo- et hétérostructures originales a ainsi été effectuée. Pour la première fois, une couche de CdTe a pu être synthétisée sur des nanoplaquettes de CdSe et CdTe. Enfin, des nanoplaquettes de CdSe à marches au comportemet uniqueont aussi été synthétisées. Ces dernières constituent le premier exemple de semiconducteurs avec un confinement induisant un alignement de bande de type I intraparticulaire et sans contrainte structurale.Un autre aspect de mon travail s’est porté sur la compréhension de la structure électronique des nanoplaquettes de HgTe. Nous avons systématiquement exploré leurs diagrammes de phase en fonction du confinement, de la pression et de la température. Nos résultats montrent qu’en fonction de la pression, les nanoplaquettes (confinement fort) et les nanocristaux (confinement plus faible) de HgTe ont un comportement similaire au massif: la largeur de bande interdite augmente avec la pression. En revanche, en fonction de la température, le régime de confinement est déterminant. En diminuant la température de 300 K à 10 K, la largeur de bande interdite diminue pour les nanocristauxs les plus gros.Cette diminution est de moins en moins importante pour les nanocristauxs les plus confinés, jusqu’aux nanoplaquettes pour lesquelles la largeur de bande interdite augmente. La modélisation de cet effet a permis de mettre en évidence le rôle de la seconde bande de conduction, qui pour les nanoplaquettes, modifie la courbure de la première bande de conduction lorsque la température diminue.

Two-dimensional (2D) materials have attracted great research interest since thebreakthrough of graphene, revealing exceptional mechanical, electrical and optical properties. The 2D material graphene has demonstrated excellent electrical properties. However, the absence of a bandgap is an obstacle for its interaction with light and therefore limits applications in optics. In this aspect, atomically thin of transition metal dichalcogenides (TMDs) semiconductors appear to be a promising platform for optoelectronics, as they possess a direct bandgap at the K-points of the Brillouin zone in the visible range. Despite being only three atoms thick, these semiconductors show exceptionally large light absorption, efficient light emission, and strong light matter interaction as summarized in Chapter 3. Their light matter interaction is governed by Coulomb bound electron-hole pairs (excitons).In addition to the impact of optical quality on several parameters, in Chapter4 we highlight a key issue for efficient energy relaxation channels which directly influence the exciton formation process, namely the exciton-phonon interaction in MoSe2 monolayers both in absorption and emission. This experimental observation was possible due to the narrow exciton linewidth which was masked by mainly inhomogeneous broadening in earlier investigated samples.Another striking feature of 2D materials is their unique ability to be combinedin stacks. The weak van der Waals force between adjoining layers in vertical homo- or heterolayers results in strong with electrical coupling between layers. The light-matter interaction is strongly modified when going from mono- to multilayers. The modified electronic bandstructure in multilayer TMDs especially in bilayers enable completely new excitonic properties and phenomena, which do not exist in the monolayer. Homobilayers host new type of excitons named ’interlayer excitons’ (IEs) where electrons are localized in a single layer while holes are delocalized over both layers. The main features of homobilayer such as MoS2 are : strong absorption of IEs which have an in-built static electric dipole.In Chapter 5 we show in homo-multilayer systems that IE transitions with strongabsorption are visible up to room temperature. Chapter 6 is devoted to gated multilayer MoS2. There we measure a giant IE Stark splitting and a widely tunable energy shift in applied electric fields due to the in-built static electric dipole. We show strong coupling between intra- and interlayer excitons when they are energetically tuned into resonance. In trilayer MoS2, we uncover two distinct types of IEs in magneto-optics with very different in-built static electric dipoles.In this thesis, we show the impact of the local dielectric environment on the optical transitions and how we can largely suppress the dielectric disorder in chemical vapor deposition (CVD)-grown MoS2 monolayers by hexagonal boron nitride encapsulation in Chapter 7. The considerably improved optical sample quality allows us to observe interlayer excitons and interlayer coupling in CVD-grown multilayers.We determine a correlation between the stacking order and interlayer couplingin artificially stacked and as-grown CVD layers shown in Chapter 8. We show thathole delocalization over the bilayer is only allowed in 2H stacking and results in strong interlayer exciton absorption and also in a modified valence band spin splitting as compared to 3R bilayers.; Les matériaux bidimensionnels (2D) ont suscité un grand intérêt pour la recherche depuis la percée du graphène, révélant des propriétés mécaniques, électriques et optiques exceptionnelles. Le graphène a des propriétés remarquables. Cependant, l’absence de bande interdite est un obstacle à son interaction avec la lumiére et limite donc les applications en optique. Dans ce contexte, les semi-conducteurs TMD atomiquement minces semblent être une plate-forme prometteuse pour l’optoélectronique, car ils possèdent une bande interdite directe aux points K de la zone Brillouin dans le domaine du visible. Bien qu’ils n’aient que trois atomes d’épaisseur, ces semi-conducteurs présentent une forte interaction lumière-matière comme résumé au chapitre 3. Leur interaction lumière-matière est régie par des paires électron-trou (excitons) liées par attraction de Coulomb.En plus de l’impact de la qualité optique sur plusieurs paramètres, dans lechapitre 4, nous soulignons un problème clé pour des canaux de relaxation d’énergie efficaces qui influencent directement le processus de formation des excitons, à savoir l’interaction exciton-phonon dans les monocouches MoSe2 à la fois en absorption et en émission. Cette observation expérimentale a été possible en raison de la largeur de raie d’exciton étroite qui a été masquée par un élargissement principalement inhomogène dans les échantillons étudiés précédemment.Une autre caractéristique frappante des matériaux 2D est leur capacité unique àêtre combinés en piles. La force de van der Waals entre les couches adjacentes dans les couches homo- ou hétérogènes verticales se traduit par un couplage électrique fort entre les couches. L’interaction lumière-matière est fortement modifiée lors du passage de monocouches à multicouches. La structure de bande électronique modifiée dans les TMD multicouches, en particulier dans les bicouches, permet des propriétés et des phénomènes excitoniques complètement nouveaux, qui n’existent pas dans la monocouche. Les homobicouches hébergent un nouveau type d’excitons appelés «excitons intercouches» (IE) où les électrons sont localisés dans une seule couche tandis que les trous sont délocalisés sur les deux couches. Les principales caractéristiques d’une homobicouches tel que MoS2 sont : une forte absorption des IE qui ont un dipôle électrique statique.Au chapitre 5, nous montrons dans les systèmes homo-multicouches que lestransitions IE à forte absorption sont visibles jusqu’à la température ambiante. Le chapitre 6 est consacré aux MoS2 multicouches avec contact électrique. Là, nous mesurons une clivage géante de Stark pour les IEs et un changement d’énergie réglable dans les champs électriques appliqués en raison du dipôle électrique statique intégré des IEs. Nous montrons un fort couplage entre les excitons intra- et intercouches lorsqu’ils sont énergiquement accordés en résonance. Pour les tricouches MoS2, nous découvrons deux types distincts d’IEs en magnéto-optique avec des dipôles électriques statiques intégrés très différents.Dans cette thèse, nous montrons l’impact de l’environnement diélectrique localsur les transitions optiques et comment nous pouvons supprimer en grande partie le désordre diélectrique par encapsulation de nitrure de bore hexagonal dans les monocouches MoS2 élaborés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) au chapitre 7. Une qualité optique considérablement améliorée nous permet d’observer les excitons intercouches et le couplage intercouche dans les multicouches développées par CVD.Nous déterminons une corrélation entre l’ordre d’empilement et le couplage in-tercouche dans les couches CVD empilées artificiellement que nous montrons auchapitre 8. Nous montrons que la délocalisation des trous sur la bicouche n’estautorisée que dans l’empilement 2H et entraîne une forte absorption d’exciton intercouche et aussi dans un clivage spin-orbite de la bande de valence modifiée par rapport aux bicouches 3R.

CdxZn1-xSe is special in the classification of the Raman spectra of the A1-xBxC semiconductor mixed crystals based on the historical MREI (1-bond→2-mode) and cluster (1-bond→4-mode) models that view a mixed crystal in terms of a uniform continuum at the macroscopic scale along the virtual crystal approximation (VCA) : it is representative of the rare 2-bond→1-mode behavior, explained as an ultimately compact MREI sub-case. However, recent infrared absorption measurements reveal a phonon fine structure, motivating a deeper study. Additional information is gained in this work by performing a polarization-dependent pure transverse-optic (TO) Raman study of CdxZn1-xSe single crystals with zincblende (cubic) structure (x ≤ 0.3) covering both the phonon and phonon-polariton regimes of the TO modes, using suitable backward and near-forward scattering geometries, respectively. Ab initio insight into the native phonon regime of the phonon-polaritons is obtained at intermediate composition (x=0.5, 0.3) and at the (Cd,Zn)-dilute limits (x~0,1; using prototype impurity motifs) using large disordered supercells (64 – 216 atoms), with special attention to the Raman intensities and the phonon frequencies. The experimental (Raman) and ab initio results converge onto a three-phonon [1 × (Cd − Se), 2 × (Zn − Se)] pattern for CdxZn1-xSe falling out of the scope of the MREI and cluster schemes. This is naturally explained within our generic 1-bond→2-mode percolation model based on a description of a A1-xBxC mixed crystal at the mesoscopic scale in terms of a AC/BC- like composite. Generally, seen from the angle of the percolation model, Raman scattering breaks new ground for studying mixed crystals and gives grounds for hope to solve certain critical issues behind alloying. One refers to the nature of the A⇿B atom substitution, as to whether this is random or not. Another one, is to elucidate how lattice-supported complex media engage their pressure-induced structural transition at the local scale. The two issues are presently addressed, using CdxZn1-xSe as a case study. A pronounced trend towards local clustering in our CdxZn1-xSe crystals is diagnosed in view of the disconcerting interplay between the oscillator strengths of the two Zn-Se Raman modes, presumably an early sign of the composition-induced zincblende⇿wurtzite structural transition (x~0.3). The deviation from the ideal Zn⇿Cd random substitution is estimated by working out a zincblende-version of the percolation model equipped with a relevant order parameter k. The model is based on a sensitivity of the Zn-Se vibration to its local environment at the second-neighbor scale, independently supported by ab initio calculation of the Raman spectra in their dependence on k (adjusted by simulated annealing). Besides, the generic 1-bond⇾2-mode percolation-type Raman signal is exploited as a sensitive “mesoscope” to explore how various ZnSe-based systems engage their pressure-induced structural transition (to rock-salt) at the sub-macroscopic scale – with a focus on Zn1-xCdxSe. The Raman doublet, that distinguishes between the AC- and BC-like environments of the short bond, is reactive to pressure: either it closes (Zn1-xBexSe, ZnSe1-xSx) or it opens (Zn1-xCdxSe), depending on the hardening rates of the two environments under pressure. A partition of II-VI and III-V mixed crystals is accordingly outlined. Of special interest is the “closure” case, in which the system resonantly stabilizes ante transition at its “exceptional point” corresponding to a virtual decoupling, by overdamping, of the two oscillators forming the Raman doublet. At this limit, the chain-connected bonds of the short species (taken as the minor one) freeze along the chain into a rigid backbone. This reveals an intrinsic capacity behind alloying to reduce the thermal conductivity., CdxZn1-xSe est spécial dans la classification admise des spectres Raman des cristaux mixtes semiconducteurs A1-xBxC basée sur les modèles historiques MREI (1-liaison→2-mode) et à clusters (1-liaison→4-mode) décrivant un cristal mixte en termes de continuum uniforme à l’échelle macroscopique selon l’approximation du cristal virtuel (ACV) : il est représentatif du comportement rare 2-liaison→1-mode, vu comme un sous-cas MREI ultimement compact. Cependant, de récentes mesures d’absorption infrarouge révèlent une structure fine, ce qui motive une étude approfondie. Ce travail concerne une étude Raman centrée sur les modes transverses optiques (TO) de cristaux CdxZn1-xSe massifs de structure zincblende (x ≤ 0.3) couvrant à la fois les régimes phonon et phonon-polariton, détectés par diffusion Raman en-arrière et en-avant, respectivement. Un “cadrage” ab initio du régime phonon sous-jacent aux phonon-polaritons est obtenu à composition intermédiaire (x=0.5, 0.3) et dans les limites (Zn,Cd)-diluées (x~0,1; à l’aide de motifs d’impuretés prototypes) à l’aide de grandes supercellules (64 – 216 atomes), avec une attention particulière aux intensités Raman et aux fréquences de vibration, respectivement. Les résultats Raman/ab initio convergent vers un comportement à trois-mode [1 × (Cd − Se), 2 × (Zn − Se)] pour CdxZn1-xSe au-delà des modèles historiques. Ce comportement trouve une explication naturelle dans le cadre de notre modèle à comportement générique 1-liaison→2-mode dit “de percolation”, basé sur une description d’un cristal mixte A1-xBxC à l’échelle mésoscopique en termes de composite de type-AC/BC. Généralement, vue sous l’angle du modèle de percolation, la diffusion Raman ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude des cristaux mixtes et laisse espérer la résolution de certaines questions sensibles relatives aux “alliages”. L’une d’entre elles concerne la nature de la substitution atomique, à savoir si celle-ci est idéalement aléatoire ou non. Une autre est d’élucider comment les systèmes complexes sur-réseau engagent localement leur transition de phase structurale induite sous pression. Ces deux questions sont abordées en parallèle dans ce mémoire, avec CdxZn1-xSe comme étude de cas. Une tendance à la séparation de phase, interprétée comme un signe avant-coureur de la transition structurale zincblende/wurtzite (x~0.3) à pression ambiante, est diagnostiquée sur la base du partage déconcertant de la force d’oscillateur Zn-Se disponible entre les deux sous-modes du doublet de percolation correspondant. La déviation par rapport au cas aléatoire est estimée en élaborant une version zincblende du modèle de percolation équipée d’un paramètre d’ordre pertinent k. Le modèle reflète une sensibilité de la vibration Zn-Se à son environnement local (de type ZnSe ou CdSe) à l’échelle des seconds voisins, calcul ab initio à l’appui des spectres Raman de CdxZn1-xSe dans leur dépendance à k (ajusté par recuit simulé). Par ailleurs, le comportement générique 1-liaison⇾2-mode des cristaux mixtes A1-xBxC est utilisé en tant que “mésoscope” sensible pour explorer comment divers cristaux mixtes à base de ZnSe engagent leur transition de phase sous pression (vers rock salt) à l’échelle sub-macroscopique avec un focus sur Zn1-xCdxSe. Le doublet de percolation, qui distingue entre les vibrations d’une liaison donnée en environnement-AC ou -BC, est réactif sous pression : il s’ouvre (Zn1-xBexSe, ZnSe1-xSx) ou se ferme (Zn1-xCdxSe), selon le “taux” de durcissement relatif des deux environnements en question sous pression. Il en résulte une partition des cristaux mixtes semiconducteurs usuels II-VI et III-V. Le cas de la “fermeture”, qui voit le système se stabiliser ante transition à son “point phonon exceptionnel” correspondant à un découplage virtuel des deux sous-oscillateurs mécaniques formant le doublet Raman de percolation, présente un intérêt particulier. A cette limite, les liaisons courtes (prises minoritaires) self-connectées gèlent en squelette rigide le long de la chaîne. Cela révèle une capacité intrinsèque des alliages à réduire la conductivité thermique.

CdxZn1-xSe is special in the classification of the Raman spectra of the A1-xBxC semiconductor mixed crystals based on the historical MREI (1-bond→2-mode) and cluster (1-bond→4-mode) models that view a mixed crystal in terms of a uniform continuum at the macroscopic scale along the virtual crystal approximation (VCA) : it is representative of the rare 2-bond→1-mode behavior, explained as an ultimately compact MREI sub-case. However, recent infrared absorption measurements reveal a phonon fine structure, motivating a deeper study. Additional information is gained in this work by performing a polarization-dependent pure transverse-optic (TO) Raman study of CdxZn1-xSe single crystals with zincblende (cubic) structure (x ≤ 0.3) covering both the phonon and phonon-polariton regimes of the TO modes, using suitable backward and near-forward scattering geometries, respectively. Ab initio insight into the native phonon regime of the phonon-polaritons is obtained at intermediate composition (x=0.5, 0.3) and at the (Cd,Zn)-dilute limits (x~0,1; using prototype impurity motifs) using large disordered supercells (64 – 216 atoms), with special attention to the Raman intensities and the phonon frequencies. The experimental (Raman) and ab initio results converge onto a three-phonon [1 × (Cd − Se), 2 × (Zn − Se)] pattern for CdxZn1-xSe falling out of the scope of the MREI and cluster schemes. This is naturally explained within our generic 1-bond→2-mode percolation model based on a description of a A1-xBxC mixed crystal at the mesoscopic scale in terms of a AC/BC- like composite. Generally, seen from the angle of the percolation model, Raman scattering breaks new ground for studying mixed crystals and gives grounds for hope to solve certain critical issues behind alloying. One refers to the nature of the A⇿B atom substitution, as to whether this is random or not. Another one, is to elucidate how lattice-supported complex media engage their pressure-induced structural transition at the local scale. The two issues are presently addressed, using CdxZn1-xSe as a case study. A pronounced trend towards local clustering in our CdxZn1-xSe crystals is diagnosed in view of the disconcerting interplay between the oscillator strengths of the two Zn-Se Raman modes, presumably an early sign of the composition-induced zincblende⇿wurtzite structural transition (x~0.3). The deviation from the ideal Zn⇿Cd random substitution is estimated by working out a zincblende-version of the percolation model equipped with a relevant order parameter k. The model is based on a sensitivity of the Zn-Se vibration to its local environment at the second-neighbor scale, independently supported by ab initio calculation of the Raman spectra in their dependence on k (adjusted by simulated annealing). Besides, the generic 1-bond⇾2-mode percolation-type Raman signal is exploited as a sensitive “mesoscope” to explore how various ZnSe-based systems engage their pressure-induced structural transition (to rock-salt) at the sub-macroscopic scale – with a focus on Zn1-xCdxSe. The Raman doublet, that distinguishes between the AC- and BC-like environments of the short bond, is reactive to pressure: either it closes (Zn1-xBexSe, ZnSe1-xSx) or it opens (Zn1-xCdxSe), depending on the hardening rates of the two environments under pressure. A partition of II-VI and III-V mixed crystals is accordingly outlined. Of special interest is the “closure” case, in which the system resonantly stabilizes ante transition at its “exceptional point” corresponding to a virtual decoupling, by overdamping, of the two oscillators forming the Raman doublet. At this limit, the chain-connected bonds of the short species (taken as the minor one) freeze along the chain into a rigid backbone. This reveals an intrinsic capacity behind alloying to reduce the thermal conductivity., CdxZn1-xSe est spécial dans la classification admise des spectres Raman des cristaux mixtes semiconducteurs A1-xBxC basée sur les modèles historiques MREI (1-liaison→2-mode) et à clusters (1-liaison→4-mode) décrivant un cristal mixte en termes de continuum uniforme à l’échelle macroscopique selon l’approximation du cristal virtuel (ACV) : il est représentatif du comportement rare 2-liaison→1-mode, vu comme un sous-cas MREI ultimement compact. Cependant, de récentes mesures d’absorption infrarouge révèlent une structure fine, ce qui motive une étude approfondie. Ce travail concerne une étude Raman centrée sur les modes transverses optiques (TO) de cristaux CdxZn1-xSe massifs de structure zincblende (x ≤ 0.3) couvrant à la fois les régimes phonon et phonon-polariton, détectés par diffusion Raman en-arrière et en-avant, respectivement. Un “cadrage” ab initio du régime phonon sous-jacent aux phonon-polaritons est obtenu à composition intermédiaire (x=0.5, 0.3) et dans les limites (Zn,Cd)-diluées (x~0,1; à l’aide de motifs d’impuretés prototypes) à l’aide de grandes supercellules (64 – 216 atomes), avec une attention particulière aux intensités Raman et aux fréquences de vibration, respectivement. Les résultats Raman/ab initio convergent vers un comportement à trois-mode [1 × (Cd − Se), 2 × (Zn − Se)] pour CdxZn1-xSe au-delà des modèles historiques. Ce comportement trouve une explication naturelle dans le cadre de notre modèle à comportement générique 1-liaison→2-mode dit “de percolation”, basé sur une description d’un cristal mixte A1-xBxC à l’échelle mésoscopique en termes de composite de type-AC/BC. Généralement, vue sous l’angle du modèle de percolation, la diffusion Raman ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude des cristaux mixtes et laisse espérer la résolution de certaines questions sensibles relatives aux “alliages”. L’une d’entre elles concerne la nature de la substitution atomique, à savoir si celle-ci est idéalement aléatoire ou non. Une autre est d’élucider comment les systèmes complexes sur-réseau engagent localement leur transition de phase structurale induite sous pression. Ces deux questions sont abordées en parallèle dans ce mémoire, avec CdxZn1-xSe comme étude de cas. Une tendance à la séparation de phase, interprétée comme un signe avant-coureur de la transition structurale zincblende/wurtzite (x~0.3) à pression ambiante, est diagnostiquée sur la base du partage déconcertant de la force d’oscillateur Zn-Se disponible entre les deux sous-modes du doublet de percolation correspondant. La déviation par rapport au cas aléatoire est estimée en élaborant une version zincblende du modèle de percolation équipée d’un paramètre d’ordre pertinent k. Le modèle reflète une sensibilité de la vibration Zn-Se à son environnement local (de type ZnSe ou CdSe) à l’échelle des seconds voisins, calcul ab initio à l’appui des spectres Raman de CdxZn1-xSe dans leur dépendance à k (ajusté par recuit simulé). Par ailleurs, le comportement générique 1-liaison⇾2-mode des cristaux mixtes A1-xBxC est utilisé en tant que “mésoscope” sensible pour explorer comment divers cristaux mixtes à base de ZnSe engagent leur transition de phase sous pression (vers rock salt) à l’échelle sub-macroscopique avec un focus sur Zn1-xCdxSe. Le doublet de percolation, qui distingue entre les vibrations d’une liaison donnée en environnement-AC ou -BC, est réactif sous pression : il s’ouvre (Zn1-xBexSe, ZnSe1-xSx) ou se ferme (Zn1-xCdxSe), selon le “taux” de durcissement relatif des deux environnements en question sous pression. Il en résulte une partition des cristaux mixtes semiconducteurs usuels II-VI et III-V. Le cas de la “fermeture”, qui voit le système se stabiliser ante transition à son “point phonon exceptionnel” correspondant à un découplage virtuel des deux sous-oscillateurs mécaniques formant le doublet Raman de percolation, présente un intérêt particulier. A cette limite, les liaisons courtes (prises minoritaires) self-connectées gèlent en squelette rigide le long de la chaîne. Cela révèle une capacité intrinsèque des alliages à réduire la conductivité thermique.

Due to the increased demand for performance in terms of data transmission, silicon photonicshas become a new paradigm. However, other fields of applications, such as biophotonicsand autonomous driving systems for instance, take advantage of this approach. In order tomeet this demand for circuits with integrated optical interconnections, this work shows thepossibility of integrating an optical source directly on a silicon platform. The technologicalbricks enabling the integration of light sources, emitting from the red region of the spectra tothe L band, by selective epitaxy of various III-V materials is studied. The integration of III-Vmaterials stacks in the form of ridges is therefore demonstrated for various wavelength ranges.A first version of electrically pumped components, here ribbon diodes, on GaAs and siliconsubstrates were manufactured and characterized., De par la demande croissante de performance en termes de transmission de données, la photonique sur silicium est devenue un nouveau paradigme. Cependant, d’autres domainesd’applications, comme la biophotonique et les systèmes autonomes de conduite pour n’enciter que deux profitent de cette approche. Afin de répondre à cette demande de circuits àinterconnexions optiques intégrées ce travail de thèse montre la possibilité d’intégrer unesource optique directement sur une plateforme silicium. Les briques technologiques rendantpossible l’intégration de sources lumineuses, émettant du rouge à la bande L, par épitaxiesélective sur silicium ont été étudiées. L’intégration de divers matériaux III-V sous forme derubans est donc démontrée pour diverses gammes de longueur d’onde. Une première versionde composants de type diodes ruban à injection électrique sur substrats GaAs et silicium ontété fabriqués et caractérisés pour une émission dans la zone rouge du spectre.

The effect of strain and confinement was studied extensively by theory on nanowire quantum dots similar to those we studied with optical measurements. More specifically we investigated the hole ground state properties of both compressive CdTe quantum dots in ZnTe nanowire and tensile ZnTe quantum dots surrounded by ZnMgTe. Strain was tuned by modifying the aspect ratio of the quantum dot and by depositing an external ZnMgTe shell to the ZnTe core. The effect of confinement was investigated by changing the valence band offset between the core and the dot and switching from a strong type I to a strong type II. Additionally, for the CdTe quantum dots we carried out calculations also under the presence of an exchange field, in order to study the spin properties of the ground state through the giant Zeeman shift. These calculations revealed a strong renormalization of the light hole Land'e factor due to a combined effect of elastic strain and spin-orbit coupling.The nanowires were grown by molecular beam epitaxy in our group and the electronic properties of the quantum dots inserted in them, were studied by low temperature micro-photoluminescence spectroscopy. The study of the excitonic properties (identification of confined excitons, cathodoluminescence, autocorrelation) and the degree of polarization, allowed us to identify without ambiguity the presence of light holes in the valence band ground state, in agreement to what is expected from theoretical predictions.In order to investigate the spin properties of a light hole ground state, we carried out measurements on magnetic quantum dots containing Mn atoms (concentration in the order of 10%). These quantum dots were characterized by magneto-optical spectroscopy under strong magnetic fields, up to 11 T. This study was carried out for different magnetic field configurations, using both a uniaxial and a vectorial magnet (magnetic fields applied parallel and perpendicular to the nanowire axis, rotating magnetic fields). The presence of a light hole ground state was confirmed through a quantitative study of the excitonic giant Zeeman shift. Light hole presence was manifested through the formation of an exciton magnetic polaron characterized by anisotropic magnetic properties, which were observed for the first time. The experimental data were fitted in very good agreement with a quantitative model which was developed, using the results obtained from numerical calculations., Dans ce travail, nous avons étudié les propriétés électroniques d’états de trous confinés dans des boites quantiques en nanofils. L'objectif principal était de déterminer les conditions permettant de stabiliser un état fondamental de trou léger et de mettre en évidence expérimentalement cet état de trou à l’aide de mesures de spectroscopie optique. Les deux principaux facteurs qui déterminent la nature de l’état de trou (trou lourd ou trou léger) et les mélanges entre états sont le confinement et les déformations élastiques. Ces paramètres peuvent être ajustés en modifiant le rapport entre la hauteur et la largeur des boites quantiques et en choisissant correctement le matériau qui l’entoure afin de maintenir le confinement du trou à l’intérieur de la boite quantique.D’un point de vue théorique, l’effet des déformations élastiques et du confinement a été étudié de manière approfondie par la mise en œuvre de calculs numériques k.p. Ces calculs ont été menés avec des boites quantiques en nanofils ayant une structure identique aux échantillons étudiés expérimentalement. Plus spécifiquement, nous avons étudié les propriétés de boites quantiques en compression (boites quantique de CdTe insérées dans des nanofils de ZnTe) et des boites quantiques en tension (boites quantiques de ZnTe entourées de coquilles de ZnMgTe). Les déformations élastiques et le confinement ont été ajustés en modifiant le rapport d’aspect des boites quantiques. Différents types de confinement ont été étudiés en modifiant le décalage de bande de valence entre la boite quantique et le nanofil (configurations de type I et de type II). De plus, une étude détaillée des propriétés de spin des états de trous légers a été menée en intégrant l’effet d’un champ d’échange dans les calculs k.p. Cette étude révèle une forte renormalisation du facteur de Landé des trous légers sous l’effet combiné des contraintes élastiques et du couplage spin-orbite.D’un point de vue expérimental, nous avons étudié des nanofils II-VI élaborés dans l’équipe par croissance par épitaxie par jets moléculaires. Des mesures de micro-photoluminescence à basse température ont été mises en œuvre avec des nanofils isolés afin d’étudier les propriétés électroniques de boites quantiques insérées dans les nanofils. L’étude des propriétés excitoniques (identification des excitons confinés, cathodoluminescence, autocorrélation) et du taux de polarisation a permis d’identifier sans ambigüité la présence de trous légers dans l’état fondamental en accord avec les prédictions théoriques. Afin de caractériser les états de trous légers à l’aide de leurs propriétés de spin, des études ont été menées avec des boites quantiques magnétiques contenant des atomes de manganèse (concentration de l’ordre de 10%). Ces boites quantiques ont été caractérisées par spectroscopie magnéto-optique sous fort champ magnétique (champ magnétique jusqu’à 11T). Différentes configurations de champs magnétiques ont été étudiées à l’aide de bobines de champs uni-axes et vectorielles (champs magnétiques parallèles ou perpendiculaires à l’axe des nanofils, champs magnétiques tournants). Une étude quantitative de l’effet Zeeman géant excitonique a permis de confirmer la présence d’état fondamental de trou léger dans les boites. Celle-ci se manifeste par la formation de polarons magnétiques excitoniques ayant des propriétés magnétiques anisotropes très originales. Un modèle quantitatif complet s’appuyant sur les modélisations numériques a été développé en très bon accord avec les résultats expérimentaux.

The effect of strain and confinement was studied extensively by theory on nanowire quantum dots similar to those we studied with optical measurements. More specifically we investigated the hole ground state properties of both compressive CdTe quantum dots in ZnTe nanowire and tensile ZnTe quantum dots surrounded by ZnMgTe. Strain was tuned by modifying the aspect ratio of the quantum dot and by depositing an external ZnMgTe shell to the ZnTe core. The effect of confinement was investigated by changing the valence band offset between the core and the dot and switching from a strong type I to a strong type II. Additionally, for the CdTe quantum dots we carried out calculations also under the presence of an exchange field, in order to study the spin properties of the ground state through the giant Zeeman shift. These calculations revealed a strong renormalization of the light hole Land'e factor due to a combined effect of elastic strain and spin-orbit coupling.The nanowires were grown by molecular beam epitaxy in our group and the electronic properties of the quantum dots inserted in them, were studied by low temperature micro-photoluminescence spectroscopy. The study of the excitonic properties (identification of confined excitons, cathodoluminescence, autocorrelation) and the degree of polarization, allowed us to identify without ambiguity the presence of light holes in the valence band ground state, in agreement to what is expected from theoretical predictions.In order to investigate the spin properties of a light hole ground state, we carried out measurements on magnetic quantum dots containing Mn atoms (concentration in the order of 10%). These quantum dots were characterized by magneto-optical spectroscopy under strong magnetic fields, up to 11 T. This study was carried out for different magnetic field configurations, using both a uniaxial and a vectorial magnet (magnetic fields applied parallel and perpendicular to the nanowire axis, rotating magnetic fields). The presence of a light hole ground state was confirmed through a quantitative study of the excitonic giant Zeeman shift. Light hole presence was manifested through the formation of an exciton magnetic polaron characterized by anisotropic magnetic properties, which were observed for the first time. The experimental data were fitted in very good agreement with a quantitative model which was developed, using the results obtained from numerical calculations.; Dans ce travail, nous avons étudié les propriétés électroniques d’états de trous confinés dans des boites quantiques en nanofils. L'objectif principal était de déterminer les conditions permettant de stabiliser un état fondamental de trou léger et de mettre en évidence expérimentalement cet état de trou à l’aide de mesures de spectroscopie optique. Les deux principaux facteurs qui déterminent la nature de l’état de trou (trou lourd ou trou léger) et les mélanges entre états sont le confinement et les déformations élastiques. Ces paramètres peuvent être ajustés en modifiant le rapport entre la hauteur et la largeur des boites quantiques et en choisissant correctement le matériau qui l’entoure afin de maintenir le confinement du trou à l’intérieur de la boite quantique.D’un point de vue théorique, l’effet des déformations élastiques et du confinement a été étudié de manière approfondie par la mise en œuvre de calculs numériques k.p. Ces calculs ont été menés avec des boites quantiques en nanofils ayant une structure identique aux échantillons étudiés expérimentalement. Plus spécifiquement, nous avons étudié les propriétés de boites quantiques en compression (boites quantique de CdTe insérées dans des nanofils de ZnTe) et des boites quantiques en tension (boites quantiques de ZnTe entourées de coquilles de ZnMgTe). Les déformations élastiques et le confinement ont été ajustés en modifiant le rapport d’aspect des boites quantiques. Différents types de confinement ont été étudiés en modifiant le décalage de bande de valence entre la boite quantique et le nanofil (configurations de type I et de type II). De plus, une étude détaillée des propriétés de spin des états de trous légers a été menée en intégrant l’effet d’un champ d’échange dans les calculs k.p. Cette étude révèle une forte renormalisation du facteur de Landé des trous légers sous l’effet combiné des contraintes élastiques et du couplage spin-orbite.D’un point de vue expérimental, nous avons étudié des nanofils II-VI élaborés dans l’équipe par croissance par épitaxie par jets moléculaires. Des mesures de micro-photoluminescence à basse température ont été mises en œuvre avec des nanofils isolés afin d’étudier les propriétés électroniques de boites quantiques insérées dans les nanofils. L’étude des propriétés excitoniques (identification des excitons confinés, cathodoluminescence, autocorrélation) et du taux de polarisation a permis d’identifier sans ambigüité la présence de trous légers dans l’état fondamental en accord avec les prédictions théoriques. Afin de caractériser les états de trous légers à l’aide de leurs propriétés de spin, des études ont été menées avec des boites quantiques magnétiques contenant des atomes de manganèse (concentration de l’ordre de 10%). Ces boites quantiques ont été caractérisées par spectroscopie magnéto-optique sous fort champ magnétique (champ magnétique jusqu’à 11T). Différentes configurations de champs magnétiques ont été étudiées à l’aide de bobines de champs uni-axes et vectorielles (champs magnétiques parallèles ou perpendiculaires à l’axe des nanofils, champs magnétiques tournants). Une étude quantitative de l’effet Zeeman géant excitonique a permis de confirmer la présence d’état fondamental de trou léger dans les boites. Celle-ci se manifeste par la formation de polarons magnétiques excitoniques ayant des propriétés magnétiques anisotropes très originales. Un modèle quantitatif complet s’appuyant sur les modélisations numériques a été développé en très bon accord avec les résultats expérimentaux.

In a society struggling to waive the use of fossil fuels, hydrogen production from water by solar photocatalysis is a alternative chemists have to consider. Setting up of this solutions asks to tackle two major issues : increase solar energy conversion by developing new semiconductors, and enhance the surface reactivity by developing efficient cocatalysts.First, DFT \emph{ab initio} calculations were carried out on a new family of semiconductor materials. Different key properties were computed and compared to experimental values. We showed that for a same material family, absorption can be controlled by changing the composition.Then, we focused on Oxygen Evolution Reaction (OER). For this reaction oxyhydroxides catalysts and their derivatives seem promising as both efficient and containing earth-abundant elements, but the understanding of its mechanism still remains unclear. On CoOOH model compound, we realised an extended analysis by a comprehensive study of intermediates and by explicit modelling of electrochemical potential. Our studies showed that taking into account several reactive sites is necessary to determine the OER mechanism on these catalysts' surface.Last, a preliminary study of biomass use was carried, in order to combine its valorization along with hydrogen production. The case of glycerol photoreforming is considered.; Dans une société qui peine à renoncer à l'utilisation des énergies fossiles, la production d'hydrogène à partir d'eau par photocatalyse solaire est une alternative que les chimistes se doivent d'explorer. La mise en place de cette solution est conditionnée à la résolution de deux problèmes majeurs : augmenter l'efficacité de la conversion solaire par le développement de nouveaux semi-conducteurs, et améliorer la réactivité en surface par le développement de co-catalyseurs efficaces. Dans un premier temps, nous avons contribué à l'étude d'une nouvelle famille de semi-conducteurs par des calculs ab initio DFT. Différentes propriétés clés ont été calculées et comparées aux valeurs expérimentales. Nous avons montré que pour une même famille de matériaux, l'absorption peut être contrôlée par modification de la composition.Ensuite, nous nous sommes focalisés sur la réaction d'oxydation de l'eau (OER). Pour cette réaction les catalyseurs de type oxyhydroxydes et leurs dérivés sont très prometteurs car à la fois efficaces et contenant des éléments abondants sur Terre, mais la compréhension de son mécanisme reste limitée. Sur le composé modèle CoOOH, nous en avons réalisé une analyse approfondie par une étude exhaustive des intermédiaires ainsi que par modélisation explicite du potentiel électrochimique. Nos études ont montré la nécessite de prendre en compte plusieurs sites réactionnels dans la détermination des mécanismes d'oxydation de l'eau sur la surface de ces catalyseurs. Enfin, une étude préliminaire de l'utilisation de la biomasse a été menée, dans le but de combiner valorisation de la biomasse et production d'hydrogène. Le cas de l'oxydation du glycérol est envisagé.

Nitride LEDs development presents significant scientific and societal issues. The aim is to get low-cost, high efficiency LEDs with accurate color-rending (typically the Color Rending Index has to be higher than 90). Due to their large band gap (from 0.8 to 6.2 eV), III-N materials, as GaN and alloys, are still used for LEDs development. Nevertheless, they present several huge limitations mainly due to the evolution of InGaN properties for higher Indium concentrations. Strain and polarization effects affect then the LED quality through the reduction of the spontaneous emission. New high-performance devices require the development of new materials and the introduction of ZnGeN2 layers could be an alternative solution. We report here on a new green and red-emitting light emitting device (LED) architecture containing only 16% of indium. The structure is based on the use of a new type-II ZnGeN2/In0.16Ga0.84N quantum well. Type II InGaN-ZnGeN2 quantum wells (QWs) were proposed for the improvement of efficiency in active regions and realizing then devices operating in a large wavelength range from UV to IR. The zinc germanium nitride (ZnGeN2) is a new promising semiconductor for optoelectronic devices such as LED or photovoltaic cells due to its large, direct, and adjustable band gap, most particularly considered to overcome the green-gap issue in LED technology. ZnGeN2 derives from the III-nitride elements by replacing the III-group alternatively by a group II (Zn) and a group IV (Ge). Both the energy band gap and the lattice parameters of ZnGeN2 are very close to those of GaN. The crystallographic organizations are similar and the recently predicted large band offset between GaN and ZnGeN2 allows the formation of a type-II InGaN-ZnGeN2 heterostructure. Studies of ZnGeN2 based quantum well behaviors are scarce and no information on the overall electro-optical operation of such LED is available. We simulate here with SILVACO/ATLAS the complete behavior of a green and red LED structures in which the active region is a type-II ZnGeN2/In0.16Ga0.84N quantum well. A thin AlGaN layer is used as a barrier for a better carrier confinement. The position and the thickness of the ZnGeN2 layer are parameters used to examine the luminous and electrical behavior as well as the external quantum efficiency of this LED compared to a standard InGaN-based LED emitting at the same wavelength. Inserting a ZnGeN2 layer in a conventional type-I InGaN QW structure yields significant modifications. The strong confinement of holes in the ZnGeN2 layer allows the use of a lower In-content InGaN QW with uniform In content. We demonstrate a significant enhancement of the spontaneous emission and the possibility to reach both a better quantum efficiency and light output when using the type-II structure. The self-consistent 6-band k.p method is used to perform the band structure calculations, which consider the effect of strain, the valence band mixing, and the spontaneous and piezoelectric polarizations, Le développement de LED à base de nitrures représente un enjeu important tant sur le plan scientifique qu’industriel et sociétal. De par leur large bande interdite, les matériaux semi-conducteurs à base de nitrures d’éléments III (composés III-N) tels que le GaN et ses alliages sont de très bons candidats pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques nouveaux. Néanmoins, ces systèmes présentent bon nombre de limitations, principalement dues à l’évolution des propriétés de l’InGaN lorsque la concentration d’indium augmente. Les effets de contrainte et de polarisation affectent la qualité du matériau et donc l’émission spontanée de la LED en général. De plus, dans un contexte de raréfaction des ressources naturelles, l’utilisation de l’indium, matériau rare et cher, doit se faire de manière raisonnée. Or les systèmes actuels (micro-écran, dispositifs portatifs, ...) requièrent des LED toujours plus puissantes et riches en Indium. Le but est aujourd’hui d’obtenir des LED haute performance, avec un bon rendu de couleurs et surtout à moindre coût en utilisant des matériaux alternatifs. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce sujet de thèse qui consiste en l’étude théorique du matériau ZnGeN2 et de son introduction au sein d’une structure LED. L’idée est ici de créer un puits quantique de type II InGaN-ZnGeN2 afin d’augmenter l’efficacité des zones d’actives et ainsi de réaliser des LED pouvant opérer sur une large gamme de longueurs d’ondes allant de l’IR à l’UV. Cette approche permet de diminuer la quantité d’indium dans les LED et ainsi de créer des structures moins onéreuses avec un matériau de meilleure qualité. Le ZnGeN2 dérive des nitrures d’éléments III en remplaçant le groupe III alternativement par un élément du groupe II (Zn) et du groupe IV (Ge). Les énergies de gap et le paramètre de maille de ZnGeN2 sont très proches de ceux du GaN. De plus, les organisations cristallographiques sont similaires et le large décalage de bande entre InGaN et ZnGeN2 autorise la formation d’une hétérostructure du type II InGaN/ZnGeN2. L’insertion d’une couche de ZnGeN2 dans une structure classique de puits quantique GaN/InGaN aboutit à des modifications significatives : le fort confinement des trous dans la couche de ZnGeN2 autorise l’utilisation d’une quantité moindre d’indium dans le puits. Dans le puits quantique de type II InGaN/ZnGeN2 une fine couche d’AlGaN est utilisée comme barrière pour un meilleur confinement. L’ensemble permet d’obtenir un meilleur recouvrement des fonctions d’ondes électron-trou comparé à celui obtenu dans le cas d’une LED classique. Au cours de la thèse nous présenterons les résultats des simulations des différentes structures LED avec puits quantique de type-II. Nous étudierons des structures LED pour des émissions dans le vert et le rouge. Différentes géométries de LED seront développées en faisant varier la position et l’épaisseur de la couche de ZnGeN2. Nous utiliserons ici le logiciel de simulation SILVACO/ATLAS avec le modèle k.p à six bandes pour le calcul de la structure de bandes, qui prend en compte les effets de tension, l’enchevêtrement des bandes de valence ainsi que les polarisations spontanées et piézoélectriques

Ce mémoire porte sur mes activités de recherche dans la période 2009-2018, et il est organisé decette façon :Le chapitre 1 illustre une sélection de travaux menés durant mon post-doc à l’IEF Orsay, avec une attention particulière aux aspects de microscopie corrélative, i.e. aux analyses effectuées en spectroscopie optique et microscopie électronique sur des nano-objets uniques.Le chapitre 2 est une introduction à la physique de l’évaporation par effet de champ et à la technique de la SAT. On y introduit des notions qui seront développées dans les chapitres successifs.Le chapitre 3 traite des biais de mesure de composition dans l’analyse des semiconducteurs composés par SAT. Les résultats marquants sont ici la démonstration que ces biais sont liés au champ électrostatique de surface, l’estimation des rendements de détection des différentes espèces dans le GaN et dans l’AlGaN et l’interprétation d’une partie des mécanismes physiques conduisant à la nondétection de certaines espèces. Ce volet d’études ne faisait pas à l’origine partie de mon projet de maître de conférences, mais au cours de mes activités je me suis rendu compte de l’importance des aspects métrologiques pour les analyses corrélatives basées sur la SAT. Aujourd’hui, la métrologie compositionnelle en SAT constitue un de mes centres d’intérêt principaux, ouvert à de nombreuses hypothèses d’approfondissement.Le chapitre 4 illustre les approches de microscopie corrélative basées sur la SAT, en particulier celle que j’appelle l’approche statistique, et l’approche séquentielle sur un nano-objet unique. Un exemple d’approche statistique est illustré dans le cas de l’analyse de l’AlGaN, où les informations spectroscopiques ont été exploitées pour corriger le biais de mesure de composition dans cet alliage. L’approche à nano-objet unique est développée pour les puits quantiques InGaN/GaN et pour les boites quantiques GaN/AlGaN. L’importance de la microscopie électronique comme technique complémentaire y est particulièrement soulignée. Le chapitre se termine sur les possibles développements de la microscopie corrélative basée sur la SAT.Le chapitre 5 décrit la spectroscopie de µPL in situ dans une SAT, à travers les études menées sur le diamant et sur des hétérostructures à base d’oxydes. Le premier résultat marquant obtenu grâce à cette approche est la mesure de la contrainte mécanique induite par l’application du champ au sommet de nano-aiguilles en diamant. Le chapitre et le mémoire se concluent sur les nombreuses perspectives ouvertes par ce nouvel instrument.

This manuscript presents an experimental study on the optical properties of graphene nanoribbons (GNRs) and graphene quantum dots (GQDs) synthesized by bottom-up chemistry.For the part on GNRs, the optical absorption and photoluminescence spectra as well as the life-time measurements on the dispersion of solution-mediated synthesized GNRs implies the formation of excimer states as a result of aggregation of GNRs. By means of confocal fluorescence microscopy and atomic force microscopy, we observe the emission of small GNR aggregates confirming the ability of GNRs to emit light in the solid state. On the other hand, the optical characterizations of on-surface synthesized GNRs shows remarkable Raman features, implying the distinct vibrational properties of GNRs compared to graphene and carbon nanotubes. The observed PL is spectrally broad with higher energy instead of a bright bandgap emission, which might be related to the defects created during the sample preparation.For the part on GQDs, the optical spectroscopy results indicate that GQDs are individualized in dispersions rather than in the form of aggregates. Then by means of microphotoluminescence, we directly address the intrinsic properties of single GQDs. Second-order photon correlation measurements reveal that GQDs exhibit single-photon emission with a high purity. Notably, the emission of GQDs has good photo-stability with high brightness. As a first example of the optical tunability of GQDs through the control of their structure, we observe that the emission of single edge-chlorinated GQDs is redshifted by almost 100 nm while maintaining the single-photon emission.; Ce manuscrit présente une étude expérimentale sur les propriétés optiques des nanorubans de graphène (acronyme anglais : GNRs) et des boites quantiques de graphène (acronyme anglais : GQDs) synthétisés par la chimie ascendante.Pour la partie sur les GNRs, les spectres d'absorption et de photoluminescence ainsi que les mesures de la durée de vie sur la dispersion impliquent la formation d'états excimères résultant de l'agrégation des GNRs. Au moyen de la microscopie confocale et de la microscopie à force atomique, nous observons l'émission de petits agrégats de GNRs confirmant leur capacité à émettre de la lumière à l'état solide. D'autre part, les caractérisations optiques des GNRs synthétisés sur une surface d’or présentent des caractéristiques de Raman remarquables, impliquant les propriétés vibrationnelles spécifiques des GNRs par rapport au graphène et aux nanotubes de carbone. La PL observée est spectralement large avec une énergie plus élevée que celle de la bande interdite des GNRs. Cela pourrait être lié aux défauts créés lors de la préparation de l'échantillon.Pour la partie sur les GQDs, les résultats de spectroscopie optique indiquent que les GQDs sont individualisées en dispersion plutôt que sous la forme d’agrégats. Ensuite, grâce à la microphotoluminescence, nous abordons directement les propriétés intrinsèques des GQDs uniques. Des mesures de corrélation de photons de second ordre révèlent que les GQDs présentent une émission de photons uniques avec une grande pureté. De plus, l'émission de GQD présente une bonne photo-stabilité avec une brillance élevée. Comme premier exemple de l'accordabilité optique des GQDs via le contrôle de la structure, nous observons que l'émission de GQDs fonctionalisés avec des atomes de chlore est décalée de près de 100 nm tout en maintenant une émission de photons uniques.

This manuscript presents an experimental study on the optical properties of graphene nanoribbons (GNRs) and graphene quantum dots (GQDs) synthesized by bottom-up chemistry.For the part on GNRs, the optical absorption and photoluminescence spectra as well as the life-time measurements on the dispersion of solution-mediated synthesized GNRs implies the formation of excimer states as a result of aggregation of GNRs. By means of confocal fluorescence microscopy and atomic force microscopy, we observe the emission of small GNR aggregates confirming the ability of GNRs to emit light in the solid state. On the other hand, the optical characterizations of on-surface synthesized GNRs shows remarkable Raman features, implying the distinct vibrational properties of GNRs compared to graphene and carbon nanotubes. The observed PL is spectrally broad with higher energy instead of a bright bandgap emission, which might be related to the defects created during the sample preparation.For the part on GQDs, the optical spectroscopy results indicate that GQDs are individualized in dispersions rather than in the form of aggregates. Then by means of microphotoluminescence, we directly address the intrinsic properties of single GQDs. Second-order photon correlation measurements reveal that GQDs exhibit single-photon emission with a high purity. Notably, the emission of GQDs has good photo-stability with high brightness. As a first example of the optical tunability of GQDs through the control of their structure, we observe that the emission of single edge-chlorinated GQDs is redshifted by almost 100 nm while maintaining the single-photon emission.; Ce manuscrit présente une étude expérimentale sur les propriétés optiques des nanorubans de graphène (acronyme anglais : GNRs) et des boites quantiques de graphène (acronyme anglais : GQDs) synthétisés par la chimie ascendante.Pour la partie sur les GNRs, les spectres d'absorption et de photoluminescence ainsi que les mesures de la durée de vie sur la dispersion impliquent la formation d'états excimères résultant de l'agrégation des GNRs. Au moyen de la microscopie confocale et de la microscopie à force atomique, nous observons l'émission de petits agrégats de GNRs confirmant leur capacité à émettre de la lumière à l'état solide. D'autre part, les caractérisations optiques des GNRs synthétisés sur une surface d’or présentent des caractéristiques de Raman remarquables, impliquant les propriétés vibrationnelles spécifiques des GNRs par rapport au graphène et aux nanotubes de carbone. La PL observée est spectralement large avec une énergie plus élevée que celle de la bande interdite des GNRs. Cela pourrait être lié aux défauts créés lors de la préparation de l'échantillon.Pour la partie sur les GQDs, les résultats de spectroscopie optique indiquent que les GQDs sont individualisées en dispersion plutôt que sous la forme d’agrégats. Ensuite, grâce à la microphotoluminescence, nous abordons directement les propriétés intrinsèques des GQDs uniques. Des mesures de corrélation de photons de second ordre révèlent que les GQDs présentent une émission de photons uniques avec une grande pureté. De plus, l'émission de GQD présente une bonne photo-stabilité avec une brillance élevée. Comme premier exemple de l'accordabilité optique des GQDs via le contrôle de la structure, nous observons que l'émission de GQDs fonctionalisés avec des atomes de chlore est décalée de près de 100 nm tout en maintenant une émission de photons uniques.

This work is devoted to the study of a two dimensional exciton gas created in a semiconductordouble quantum wells. Thanks to an electric field applied perpendicular to these layers,the exciton constituents, namely, the electron and the hole, are confined each in one quantumwell so that excitons inherit a strong electric dipole. In this manuscript, we study the propertiesof such exciton gas trapped at very low temperature, through the photoluminescence emittedby electron-hole recombinations. We particularly study the emitted light using spectroscopic andinterferometric techniques. Thus, we explore the thermodynamics of a trapped gas and quantifyits equation of state. We unveil an important feature: the universality of the equation of state,which allows the first demonstration of thermodynamic equilibrium for excitons, and we realizea direct measurement of the excitons dipolar interaction strength. By probing both the spatialcoherence and the density of defects of the excitons photoluminescence, we show that it exists acentral region (R < 3 μm) in an exciton trap where a high degree of spatial coherence is conditionedby a decrease of the defects density. Our experiments thus provide a set of evidences pointingtowards a Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition for trapped 2D exciton gas.; Ces travaux sont consacrés à l'étude d'un gaz d'excitons bidimensionnel créé dans un double puits quantique de semi-conducteurs. Grâce à un champ électrique appliqué perpendiculairement au plan des puits, les deux composants de l'exciton, l'électron et le trou, sont chacun confinés dans deux puits séparés. Ceci donne lieu à des excitons avec un fort moment dipolaire qui sont piégés et refroidis à très basse température. Dans ce manuscrit, nous étudions les propriétés du gaz d'excitons à travers la photoluminescence émise lors de la recombinaison des paires électron-trou, que nous analysons grâce à des mesures spectroscopiques et interférométriques. Ainsi, nous avons étudié la thermodynamique du gaz d'excitons dans un piège harmonique et établi son équation d'état. Nous avons dévoilé l'universalité de l'équation d'état ce qui a rendu possible la première démonstration de l'équilibre thermodynamique du gaz et a aussi permis d'évaluer la force des interactions entre excitons. En associant des mesures de cohérence spatiale et l'étude de la distribution de défauts de densité dans la photoluminescence des excitons, nous avons montré que dans une zone centrale du piège de rayon R < 3 µm, il s'opère conjointement une augmentation du niveau de cohérence et une diminution de la densité de défauts. Des travaux précédents ayant montré que ces défauts pouvaient constituer des défauts topologiques appelés vortex, nos observations constituent ainsi un ensemble de preuves de l'établissement d'un état superfluide dans la partie centrale du piège, en accord avec la théorie prédite par Berezinskii-Kosterlitz et Thouless.

This work is devoted to the study of a two dimensional exciton gas created in a semiconductordouble quantum wells. Thanks to an electric field applied perpendicular to these layers,the exciton constituents, namely, the electron and the hole, are confined each in one quantumwell so that excitons inherit a strong electric dipole. In this manuscript, we study the propertiesof such exciton gas trapped at very low temperature, through the photoluminescence emittedby electron-hole recombinations. We particularly study the emitted light using spectroscopic andinterferometric techniques. Thus, we explore the thermodynamics of a trapped gas and quantifyits equation of state. We unveil an important feature: the universality of the equation of state,which allows the first demonstration of thermodynamic equilibrium for excitons, and we realizea direct measurement of the excitons dipolar interaction strength. By probing both the spatialcoherence and the density of defects of the excitons photoluminescence, we show that it exists acentral region (R < 3 μm) in an exciton trap where a high degree of spatial coherence is conditionedby a decrease of the defects density. Our experiments thus provide a set of evidences pointingtowards a Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition for trapped 2D exciton gas.; Ces travaux sont consacrés à l'étude d'un gaz d'excitons bidimensionnel créé dans un double puits quantique de semi-conducteurs. Grâce à un champ électrique appliqué perpendiculairement au plan des puits, les deux composants de l'exciton, l'électron et le trou, sont chacun confinés dans deux puits séparés. Ceci donne lieu à des excitons avec un fort moment dipolaire qui sont piégés et refroidis à très basse température. Dans ce manuscrit, nous étudions les propriétés du gaz d'excitons à travers la photoluminescence émise lors de la recombinaison des paires électron-trou, que nous analysons grâce à des mesures spectroscopiques et interférométriques. Ainsi, nous avons étudié la thermodynamique du gaz d'excitons dans un piège harmonique et établi son équation d'état. Nous avons dévoilé l'universalité de l'équation d'état ce qui a rendu possible la première démonstration de l'équilibre thermodynamique du gaz et a aussi permis d'évaluer la force des interactions entre excitons. En associant des mesures de cohérence spatiale et l'étude de la distribution de défauts de densité dans la photoluminescence des excitons, nous avons montré que dans une zone centrale du piège de rayon R < 3 µm, il s'opère conjointement une augmentation du niveau de cohérence et une diminution de la densité de défauts. Des travaux précédents ayant montré que ces défauts pouvaient constituer des défauts topologiques appelés vortex, nos observations constituent ainsi un ensemble de preuves de l'établissement d'un état superfluide dans la partie centrale du piège, en accord avec la théorie prédite par Berezinskii-Kosterlitz et Thouless.

Combining direct bandgap III-V compound semiconductors, such as InAs and GaAs, with silicon to realize on-chip optical light emitters and detectors at telecommunication wavelengths is an important technological objective. However, traditional thin film epitaxy of InAs and GaAs on silicon is challenging because of the high lattice mismatch between the involved materials. These epitaxial thin films exhibit a poor quality at the interface with silicon, limiting the performance of future devices. Nanowires can overcome the mismatch challenge owing to their small lateral size and high aspect ratio. Thanks to their free, unconstrained surfaces, nanowires release the mismatch strain via elastic lateral relaxation. In this context, my thesis aimed at growing axial GaAs/InAs nanowire heterostructures on silicon substrates to realize on-chip, integrated, single-photon emitters. In this experimental work, I grew nanowires by gold-assisted vapor liquid solid mechanism in a molecular beam epitaxy reactor. The nanowires were then characterized using energy dispersive x-ray spectroscopy and transmission electron microscopy to evaluate their composition and crystalline structure. Strain distribution was studied experimentally using geometrical phase analysis and compared theoretically with finite element simulations, performed with the COMSOL software. During this thesis, I tackled different challenges inherent to axial nanowire heterostructures, such as kinking during material exchange, compositionally graded interfaces, and radial overgrowth. First, I developed an optimized a growth protocol to prevent the formation of kinks. Kinks usually appear when the gold catalyst at the nanowire tip has been destabilized. By keeping a high supersaturation in the gold droplet during the entire growth procedure, straight InAs-on-GaAs nanowires were achieved with a yield exceeding 90%. By a careful tuning of the material fluxes supplied during growth, I significantly improved the interface sharpness between the InAs and GaAs nanowire segments: the use of a high In flux during the growth of the InAs segment resulted in a 5 nm composition gradient at the InAs/GaAs interface. Through the careful analysis of the nanowires’ chemical composition, I observed that the nominally pure InAs segments grown on top of GaAs are in fact ternary InxGa1-xAs alloys. I found out that Ga incorporation in the nominal InAs segment is due to the diffusion of Ga adatoms thermally created on the GaAs nanowire sidewalls and on the two-dimensional GaAs layer grown on silicon substrate. I demonstrated that the use of large nanowire diameters prevents Ga diffusion along the nanowire sidewalls, resulting in the growth of pure InAs segments on top of GaAs. Finally, I studied how 7% mismatch strain at the InAs/GaAs interface is distributed along the nanowire, depending on the nanowire diameter and interface sharpness. I observed that nanowires with diameters below 40 nm are free of misfit dislocations regardless of the interface sharpness: strain is fully, elastically released via crystalline planes bending close to the nanowire sidewalls. On the other hand, nanowires with diameters above 95 nm at the interface exhibit strain relaxation, both elastically and plastically, via plane bending and the formation of misfit dislocations, respectively. In conclusion, I have successfully fabricated highly mismatched heterostructures, confirming the prediction that axial GaAs/InAs interfaces are pseudomorphic below a certain critical diameter. These findings establish a first step towards the realization of high quality InAs quantum dots in GaAs nanowires on silicon: a promising system for on-chip single photon emission.; Un objectif technologique important de l’industrie des semiconducteurs concerne l’intégration sur Si de semiconducteurs III-V à bande interdite directe tels que InAs et GaAs, pour réaliser des émetteurs et détecteurs de lumière aux longueurs d'onde de télécommunication. L'épitaxie de couches minces d'InAs et de GaAs sur Si est cependant difficile en raison de la grande différence de paramètre de maille entre ces matériaux. Ces films minces épitaxiés présentent une interface de mauvaise qualité limitant les performances de futurs dispositifs. Pour surmonter le défi de l’épitaxie de matériaux à fort désaccord de maille, il a été proposé d’utiliser des nanofils en raison de leur dimension latérale réduite et de leur rapport hauteur/largeur élevé. Ainsi, les nanofils relâchent la contrainte par relaxation élastique sur la paroi latérale des nanofils. Dans ce contexte, ma thèse visait à faire croître des hétérostructures axiales de nanofils GaAs/InAs sur des substrats Si pour réaliser des émetteurs à photons uniques. Lors de ce travail expérimental, j'ai fait croître des nanofils par le mécanisme vapeur-solide-liquide assisté par catalyseurs d'or dans un réacteur d'épitaxie par jet moléculaire. Les nanofils ont ensuite été caractérisés en utilisant la spectroscopie à rayons X par dispersion d'énergie et la microscopie électronique à transmission pour évaluer leur composition et leur structure cristalline. La distribution de la contrainte a été étudiée expérimentalement par analyse de phase géométrique, puis comparée à des simulations par éléments finis. Au cours de cette thèse, j'ai abordé différents défis inhérents aux hétérostructures axiales de nanofils, tels que la formation de nanofils tordus, la composition graduelle de l’interface et la croissance radiale parasite. J'ai d'abord optimisé le protocole de croissance pour éviter la formation de nanofils tordus. Les nanofils changent habituellement de direction de croissance lorsque le catalyseur d'or à l'extrémité du nanofil a été déstabilisé. En gardant une forte sursaturation dans la gouttelette d'or pendant toute la procédure de croissance, j’ai obtenu des nanofils droits d’InAs/GaAs avec un rendement de 92%. J’ai alors optimisé les flux de matériaux pour réduire la composition graduelle de l'interface entre les segments d’InAs et de GaAs. Grâce à l'analyse de la composition chimique des nanofils, j'ai observé que le segment nominalement pur d’InAs est en fait un alliage ternaire InxGa1-xAs. J'ai découvert que l'incorporation de Ga dans le segment nominal InAs est due à la diffusion d'adatomes Ga créés thermiquement sur les nanofils GaAs et sur la couche de GaAs bidimensionnelle développée sur le substrat de Si. L'utilisation de diamètres larges de nanofils supprime la diffusion de Ga le long des parois latérales des nanofils, permettant ainsi la croissance d’un segment d’InAs pur au-dessus de celui de GaAs. Enfin, j'ai étudié la distribution de la contrainte de 7% à l’interface InAs/GaAs. Celle-ci est répartie le long du nanofil et dépend du diamètre du nanofil et de la composition de l'interface. J'ai observé que les nanofils de diamètre inférieur à 40 nm sont exempts de dislocations: la contrainte est relaxée élastiquement via la courbure des plans cristallins proches des parois latérales du nanofil. D'autre part, les nanofils avec des diamètres supérieurs à 95 nm relaxent à la fois élastiquement et plastiquement, par une courbure des plans et la formation de dislocations. En conclusion, j'ai fabriqué des hétérostructures de matériaux à fort désaccord de maille. J’ai pu confirmer que les interfaces axiales GaAs/InAs sont pseudomorphiques en dessous d'un certain diamètre critique. Ces résultats constituent une première étape vers la réalisation de boîtes quantiques InAs dans des nanofils de GaAs intégrés sur Si: un système prometteur pour l'émission de photons uniques sur puce.

This Ph.D. aimed at a better understanding of the chemical properties of cadmium selenide nanoplatelets by functionalization by paramagnetic coordination complexes. Indeed, the original optical properties of the platelets associated to the paramagnetism of transition metal complexes could lead to new magneto-optic properties. In agreement with recent literature results, this Ph.D. confirms that the planar morphology of these nano-objets induces their stacking when covered by appropriate ligands and dispersed in appropriate solvents. This thesis presents three chapters about (i) the description of the structure and the properties of CdSe nanoplatelets, (ii) a study of azobenzenedecorated nanoplatelets and (iii) the self-assembly of CdSe nanoplatelets mediated by cobalt(II) phtalocyanines to produce composite materials. This work shows that functionalizing CdSe nanoplatelets with azobenzene moieties allows their out-of-equilibrium assembly. Furthermore, two ways of assembling nanoplatelets with cobalt(II) phtalocyanines have been developed leading to composites bearing different structures. For one of these structures a circularly polarized light is emitted under magnetic field revealing a symmetry braking in the composite thanks to the cobalt complex and thus magneto-optic effects.; Ce doctorat avait pour objet l’exploration des propriétés chimiques de nanoplaquettes de séléniure de cadmium en les fonctionnalisant par des complexes paramagnétiques de coordination. En effet, l’association des propriétés magnétiques des complexes avec les propriétés optiques très originales de ces objets pourrait conduire à la découverte de nouvelles propriétés magnéto-optiques. Cette thèse, en cohérence avec des résultats récents de la littérature, a confirmé que la forme plaquettaire de ces nano-objets induisait leur empilement lorsqu’ils sont recouverts de ligands appropriés et dispersés dans des solvants adaptés. Cette thèse présente trois chapitres portant sur (i) la description des nanoplaquettes de CdSe du point de vue de leur structure et de leurs propriétés, (ii) une étude de l’assemblage des plaquettes lorsque celles-ci sont fonctionnalisées par des molécules de type azobenzène isomérisable et (iii) l’étude de l’assemblage des nanoplaquettes par l’intermédiaire de phtalocyanines de cobalt(II) conduisant à des matériaux composites. Nous avons montré que la fonctionnalisation des nanoplaquettes par des molécules d’azobenzène permettait leur assemblage hors équilibre c’est à dire sous apport continu d’énergie. Par ailleurs, deux voies d’assemblage des nanoplaquettes avec la phtalocyanine de cobalt ont été explorées. Ces deux voies permettent d’obtenir des composites de structures différentes et dans un cas il a été observé une émission de lumière polarisée circulairement sous champ magnétique. Ce résultat montre l’existence d’une rupture de symétrie dans le composite liée à la présence du complexe de cobalt et donc l’apparition de propriétés magnéto-optiques.

This Ph.D. aimed at a better understanding of the chemical properties of cadmium selenide nanoplatelets by functionalization by paramagnetic coordination complexes. Indeed, the original optical properties of the platelets associated to the paramagnetism of transition metal complexes could lead to new magneto-optic properties. In agreement with recent literature results, this Ph.D. confirms that the planar morphology of these nano-objets induces their stacking when covered by appropriate ligands and dispersed in appropriate solvents. This thesis presents three chapters about (i) the description of the structure and the properties of CdSe nanoplatelets, (ii) a study of azobenzenedecorated nanoplatelets and (iii) the self-assembly of CdSe nanoplatelets mediated by cobalt(II) phtalocyanines to produce composite materials. This work shows that functionalizing CdSe nanoplatelets with azobenzene moieties allows their out-of-equilibrium assembly. Furthermore, two ways of assembling nanoplatelets with cobalt(II) phtalocyanines have been developed leading to composites bearing different structures. For one of these structures a circularly polarized light is emitted under magnetic field revealing a symmetry braking in the composite thanks to the cobalt complex and thus magneto-optic effects.; Ce doctorat avait pour objet l’exploration des propriétés chimiques de nanoplaquettes de séléniure de cadmium en les fonctionnalisant par des complexes paramagnétiques de coordination. En effet, l’association des propriétés magnétiques des complexes avec les propriétés optiques très originales de ces objets pourrait conduire à la découverte de nouvelles propriétés magnéto-optiques. Cette thèse, en cohérence avec des résultats récents de la littérature, a confirmé que la forme plaquettaire de ces nano-objets induisait leur empilement lorsqu’ils sont recouverts de ligands appropriés et dispersés dans des solvants adaptés. Cette thèse présente trois chapitres portant sur (i) la description des nanoplaquettes de CdSe du point de vue de leur structure et de leurs propriétés, (ii) une étude de l’assemblage des plaquettes lorsque celles-ci sont fonctionnalisées par des molécules de type azobenzène isomérisable et (iii) l’étude de l’assemblage des nanoplaquettes par l’intermédiaire de phtalocyanines de cobalt(II) conduisant à des matériaux composites. Nous avons montré que la fonctionnalisation des nanoplaquettes par des molécules d’azobenzène permettait leur assemblage hors équilibre c’est à dire sous apport continu d’énergie. Par ailleurs, deux voies d’assemblage des nanoplaquettes avec la phtalocyanine de cobalt ont été explorées. Ces deux voies permettent d’obtenir des composites de structures différentes et dans un cas il a été observé une émission de lumière polarisée circulairement sous champ magnétique. Ce résultat montre l’existence d’une rupture de symétrie dans le composite liée à la présence du complexe de cobalt et donc l’apparition de propriétés magnéto-optiques.

In recent years, many advances have been made in the production of optical detectors in the visible. Among the most sensitive on the market, there are photomultipliers (PMT), which use the photoelectric effect. Unfortunately, they are expensive, bulky and fragile components. There are also Single-Photon Avalanche Photodiode (SPAD) which use semiconductor junctions subjected to strong electric fields. They remain a good alternative to PMT and are smaller than them (about 100μm thick). Finally, there are superconducting nanowires single-photon detectors (SNSPD), which are excellent detectors operating at high frequency and with small dimensions (of the order of μm²), but which operate only at very low temperatures (often in the 1.4K-4K range).This is why we focused on photodetectors based on semiconductor nanowires, which could become in the future an alternative to these detectors. Among other reasons, they have the advantage of being usable at room temperature and to be more compact than PMTs and SPADs. We made photodetectors based on ZnO, CdSe, GaAs and GaAsP nanowires, and then we characterized them electrically and optically. Finally, to have a better understanding of the strong gain obtained on the ZnO devices, we carried out a low-temperature spectroscopy on this material. This includes measurements of photoluminescence, time-resolved photoluminescence and EPR (electron paramagnetic resonance); Ces dernières années de nombreux progrès ont été fait dans la réalisation des détecteurs optiques dans le visible. Parmi les plus sensibles du marché on retrouve les photomultiplicateurs (PMTs), qui utilisent l’effet photoélectrique, ce sont des composants chers, volumineux et fragiles. Il existe aussi les photodiodes à avalanches (SPADs ) qui utilisent des jonctions de semi-conducteurs soumises à de forts champs électriques, ils constituent une bonne alternative aux PMTs et sont moins volumineux qu’eux (environ 100µm d’épaisseur). Enfin il y a les nanofils supraconducteurs (SNSPDs), qui sont d’excellents détecteurs fonctionnant à haute fréquence et de faible dimension (de l’ordre du µm²), mais qui nécessitent de fonctionner à très basse température (souvent dans la gamme 1.4K-4K).C’est pourquoi dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux photodétecteurs à base de nanofils de semiconducteurs, qui pourraient dans l’avenir, devenir une alternative à ces détecteurs, car ils ont l’avantage d’être utilisable à température ambiante et d’être plus compact que les PMTs et les SPADs. Nous avons fabriqué des photodétecteurs à base de nanofils de ZnO, de CdSe, de GaAs et de GaAsP, puis nous les avons caractérisés électriquement et optiquement. Enfin pour comprendre plus en détail le fort gain obtenu sur les dispositifs en ZnO, nous avons réalisé de la spectroscopie à basse température sur ce matériau. Cela inclut des mesures de photoluminescence, de temps de vie de fluorescence ainsi que de la RPE (résonnance paramagnétique électronique)

Fast photodetectors are optoelectronic devices wich allow to generate and to detect electromagnetic waves at sub-THz and THz frequencies. This thesis presents the design, the fabrication and the characterization of fast photodetectors made using III-V semiconductors. The objective is to develop systems working at a wavelength of 1550nm, compatibleswith the telecommunication technologies. We will study in detail LT-GaAs photoconductors for sub-sampling, InAlAs/InGaAs-MSM photodetectors for sub-sampling and photomixing and InGaAs/InP UTC-photodiodes for photomixing.; Les photodétecteurs rapides sont des composants optoélectroniques qui permettent de générer et de détecter des ondes de fréquences sub-THz et THz. Cette thèse présente la conception, la fabrication et la caractérisation de photodétecteurs rapides à semiconducteurs III-V. L’objectif est de proposer des systèmes fonctionnant à la longueur d’onde de 1550 nm, et donc compatibles avec les technologies des télécommunications. Nous étudions en détail des photoconducteurs en AsGa-BT pour le sous-échantillonnage, des photodétecteurs de type MSM-InAlAs/InGaAs pour le sous-échantillonnage et le photomélange et des photodiodes UTC en InGaAs/InP pour le photomélange.

In recent years, many advances have been made in the production of optical detectors in the visible. Among the most sensitive on the market, there are photomultipliers (PMT), which use the photoelectric effect. Unfortunately, they are expensive, bulky and fragile components. There are also Single-Photon Avalanche Photodiode (SPAD) which use semiconductor junctions subjected to strong electric fields. They remain a good alternative to PMT and are smaller than them (about 100μm thick). Finally, there are superconducting nanowires single-photon detectors (SNSPD), which are excellent detectors operating at high frequency and with small dimensions (of the order of μm²), but which operate only at very low temperatures (often in the 1.4K-4K range).This is why we focused on photodetectors based on semiconductor nanowires, which could become in the future an alternative to these detectors. Among other reasons, they have the advantage of being usable at room temperature and to be more compact than PMTs and SPADs. We made photodetectors based on ZnO, CdSe, GaAs and GaAsP nanowires, and then we characterized them electrically and optically. Finally, to have a better understanding of the strong gain obtained on the ZnO devices, we carried out a low-temperature spectroscopy on this material. This includes measurements of photoluminescence, time-resolved photoluminescence and EPR (electron paramagnetic resonance), Ces dernières années de nombreux progrès ont été fait dans la réalisation des détecteurs optiques dans le visible. Parmi les plus sensibles du marché on retrouve les photomultiplicateurs (PMTs), qui utilisent l’effet photoélectrique, ce sont des composants chers, volumineux et fragiles. Il existe aussi les photodiodes à avalanches (SPADs ) qui utilisent des jonctions de semi-conducteurs soumises à de forts champs électriques, ils constituent une bonne alternative aux PMTs et sont moins volumineux qu’eux (environ 100µm d’épaisseur). Enfin il y a les nanofils supraconducteurs (SNSPDs), qui sont d’excellents détecteurs fonctionnant à haute fréquence et de faible dimension (de l’ordre du µm²), mais qui nécessitent de fonctionner à très basse température (souvent dans la gamme 1.4K-4K).C’est pourquoi dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux photodétecteurs à base de nanofils de semiconducteurs, qui pourraient dans l’avenir, devenir une alternative à ces détecteurs, car ils ont l’avantage d’être utilisable à température ambiante et d’être plus compact que les PMTs et les SPADs. Nous avons fabriqué des photodétecteurs à base de nanofils de ZnO, de CdSe, de GaAs et de GaAsP, puis nous les avons caractérisés électriquement et optiquement. Enfin pour comprendre plus en détail le fort gain obtenu sur les dispositifs en ZnO, nous avons réalisé de la spectroscopie à basse température sur ce matériau. Cela inclut des mesures de photoluminescence, de temps de vie de fluorescence ainsi que de la RPE (résonnance paramagnétique électronique)

Combining direct bandgap III-V compound semiconductors, such as InAs and GaAs, with silicon to realize on-chip optical light emitters and detectors at telecommunication wavelengths is an important technological objective. However, traditional thin film epitaxy of InAs and GaAs on silicon is challenging because of the high lattice mismatch between the involved materials. These epitaxial thin films exhibit a poor quality at the interface with silicon, limiting the performance of future devices. Nanowires can overcome the mismatch challenge owing to their small lateral size and high aspect ratio. Thanks to their free, unconstrained surfaces, nanowires release the mismatch strain via elastic lateral relaxation. In this context, my thesis aimed at growing axial GaAs/InAs nanowire heterostructures on silicon substrates to realize on-chip, integrated, single-photon emitters. In this experimental work, I grew nanowires by gold-assisted vapor liquid solid mechanism in a molecular beam epitaxy reactor. The nanowires were then characterized using energy dispersive x-ray spectroscopy and transmission electron microscopy to evaluate their composition and crystalline structure. Strain distribution was studied experimentally using geometrical phase analysis and compared theoretically with finite element simulations, performed with the COMSOL software. During this thesis, I tackled different challenges inherent to axial nanowire heterostructures, such as kinking during material exchange, compositionally graded interfaces, and radial overgrowth. First, I developed an optimized a growth protocol to prevent the formation of kinks. Kinks usually appear when the gold catalyst at the nanowire tip has been destabilized. By keeping a high supersaturation in the gold droplet during the entire growth procedure, straight InAs-on-GaAs nanowires were achieved with a yield exceeding 90%. By a careful tuning of the material fluxes supplied during growth, I significantly improved the interface sharpness between the InAs and GaAs nanowire segments: the use of a high In flux during the growth of the InAs segment resulted in a 5 nm composition gradient at the InAs/GaAs interface. Through the careful analysis of the nanowires’ chemical composition, I observed that the nominally pure InAs segments grown on top of GaAs are in fact ternary InxGa1-xAs alloys. I found out that Ga incorporation in the nominal InAs segment is due to the diffusion of Ga adatoms thermally created on the GaAs nanowire sidewalls and on the two-dimensional GaAs layer grown on silicon substrate. I demonstrated that the use of large nanowire diameters prevents Ga diffusion along the nanowire sidewalls, resulting in the growth of pure InAs segments on top of GaAs. Finally, I studied how 7% mismatch strain at the InAs/GaAs interface is distributed along the nanowire, depending on the nanowire diameter and interface sharpness. I observed that nanowires with diameters below 40 nm are free of misfit dislocations regardless of the interface sharpness: strain is fully, elastically released via crystalline planes bending close to the nanowire sidewalls. On the other hand, nanowires with diameters above 95 nm at the interface exhibit strain relaxation, both elastically and plastically, via plane bending and the formation of misfit dislocations, respectively. In conclusion, I have successfully fabricated highly mismatched heterostructures, confirming the prediction that axial GaAs/InAs interfaces are pseudomorphic below a certain critical diameter. These findings establish a first step towards the realization of high quality InAs quantum dots in GaAs nanowires on silicon: a promising system for on-chip single photon emission., Un objectif technologique important de l’industrie des semiconducteurs concerne l’intégration sur Si de semiconducteurs III-V à bande interdite directe tels que InAs et GaAs, pour réaliser des émetteurs et détecteurs de lumière aux longueurs d'onde de télécommunication. L'épitaxie de couches minces d'InAs et de GaAs sur Si est cependant difficile en raison de la grande différence de paramètre de maille entre ces matériaux. Ces films minces épitaxiés présentent une interface de mauvaise qualité limitant les performances de futurs dispositifs. Pour surmonter le défi de l’épitaxie de matériaux à fort désaccord de maille, il a été proposé d’utiliser des nanofils en raison de leur dimension latérale réduite et de leur rapport hauteur/largeur élevé. Ainsi, les nanofils relâchent la contrainte par relaxation élastique sur la paroi latérale des nanofils. Dans ce contexte, ma thèse visait à faire croître des hétérostructures axiales de nanofils GaAs/InAs sur des substrats Si pour réaliser des émetteurs à photons uniques. Lors de ce travail expérimental, j'ai fait croître des nanofils par le mécanisme vapeur-solide-liquide assisté par catalyseurs d'or dans un réacteur d'épitaxie par jet moléculaire. Les nanofils ont ensuite été caractérisés en utilisant la spectroscopie à rayons X par dispersion d'énergie et la microscopie électronique à transmission pour évaluer leur composition et leur structure cristalline. La distribution de la contrainte a été étudiée expérimentalement par analyse de phase géométrique, puis comparée à des simulations par éléments finis. Au cours de cette thèse, j'ai abordé différents défis inhérents aux hétérostructures axiales de nanofils, tels que la formation de nanofils tordus, la composition graduelle de l’interface et la croissance radiale parasite. J'ai d'abord optimisé le protocole de croissance pour éviter la formation de nanofils tordus. Les nanofils changent habituellement de direction de croissance lorsque le catalyseur d'or à l'extrémité du nanofil a été déstabilisé. En gardant une forte sursaturation dans la gouttelette d'or pendant toute la procédure de croissance, j’ai obtenu des nanofils droits d’InAs/GaAs avec un rendement de 92%. J’ai alors optimisé les flux de matériaux pour réduire la composition graduelle de l'interface entre les segments d’InAs et de GaAs. Grâce à l'analyse de la composition chimique des nanofils, j'ai observé que le segment nominalement pur d’InAs est en fait un alliage ternaire InxGa1-xAs. J'ai découvert que l'incorporation de Ga dans le segment nominal InAs est due à la diffusion d'adatomes Ga créés thermiquement sur les nanofils GaAs et sur la couche de GaAs bidimensionnelle développée sur le substrat de Si. L'utilisation de diamètres larges de nanofils supprime la diffusion de Ga le long des parois latérales des nanofils, permettant ainsi la croissance d’un segment d’InAs pur au-dessus de celui de GaAs. Enfin, j'ai étudié la distribution de la contrainte de 7% à l’interface InAs/GaAs. Celle-ci est répartie le long du nanofil et dépend du diamètre du nanofil et de la composition de l'interface. J'ai observé que les nanofils de diamètre inférieur à 40 nm sont exempts de dislocations: la contrainte est relaxée élastiquement via la courbure des plans cristallins proches des parois latérales du nanofil. D'autre part, les nanofils avec des diamètres supérieurs à 95 nm relaxent à la fois élastiquement et plastiquement, par une courbure des plans et la formation de dislocations. En conclusion, j'ai fabriqué des hétérostructures de matériaux à fort désaccord de maille. J’ai pu confirmer que les interfaces axiales GaAs/InAs sont pseudomorphiques en dessous d'un certain diamètre critique. Ces résultats constituent une première étape vers la réalisation de boîtes quantiques InAs dans des nanofils de GaAs intégrés sur Si: un système prometteur pour l'émission de photons uniques sur puce.

Ionic liquids are non-volatile fluids, consisting of cations and anions, which are ionically conducting and electrically insulating and hold very high capacitances. These liquids have the ability to not only to replace solid electrolytes, but to create strongly increased electric fields (>SI{10}{megavoltpercentimetre}) in the so-called electric double layer (EDL) on the electrolyte/channel interface, which leads to the injection of 2D charge carrier densities up to SI{e15}{cm^{-2}}. The remarkably strong gate effect of ionic liquids is diminished in the presence of trapped states and roughness-induced surface disorder, which points out that atomically flat transition metal dichalcogenides of high crystal quality are some of the semiconductors best suited for EDL-gating.We realised EDL-gated field-effect transistors based on multi-walled ce{WS2} nanotubes with operation performance comparable to that of EDL-gated thin flakes of the same material and superior to the performance of backgated ce{WS2} nanotubes. For instance, we observed mobilities of up to SI{80}{squarecentimetrepervoltpersecond} for both p- and n-type charge carriers and our current on-off ratios exceed SI{e5}{} for both polarities. At high electron doping levels, the nanotubes show metallic behaviour down to low temperatures. The use of an electrolyte as topgate dielectric allows the purely electrostatic formation of a pn-junction. We successfully fabricated a light-emitting transistor taking advantage of this utility.The ability of high charge carrier doping suggests an electrostatically induced metal phase or superconductivity in large gap semiconductors. We successfully induced low temperature metallic conduction into intrinsic diamond with hydrogen-terminated surface via field-effect and we observed a gate effect in doped, metallic silicon.Ionic liquids have many advantageous properties, but their applicability suffers from the instability of their liquid body, gate leakage currents and absorption of impurities. An effective way to bypass most of these problems, while keeping the ability of ultra-high charge carrier injection, is the gelation of ionic liquids. We even went one step further and fabricated modified ion gel films with the cations fixed on one surface and the anions able to move freely through the film. With this tool, we realised a novel low-power field-effect diode.; Les liquides ioniques sont des fluides non volatiles, constitués de cations et d’anions, qui sont conducteurs ioniques, isolants électriques, et peuvent avoir des valeurs de capacité très élevées. Ces liquides sont susceptibles non seulement de remplacer les électrolytes solides, mais également de susciter des champs électriques intenses (>SI{10}{megavoltpercentimetre}) au sein d’une couche dite double couche électronique (electric double layer, EDL) à l’interface entre le liquide et le matériau sur lequel il est déposé. Ceci conduit à une injection de porteurs de charge bidimensionelle avec des densités allant jusqu’à SI{e15}{cm^{-2}}. Cet effet de grille remarquablement fort des liquides ioniques est réduit en présence d’états piégés ou de rugosité de surface. À cet égard, les dicalchogénures de métaux de transitions, de très haute qualité cristalline et atomiquement plats, font partis des semi-conducteurs les plus adaptés aux grilles EDL.Nous avons réalisé des transistors à effet de champ avec des EDL dans des nanotubes multi-couches de ce{WS2}, avec des performances comparables à celles de transistors EDL sur des ilots de ce{WS2}, et meilleurs que celles de nanotubes de ce{WS2} avec une grille solide. Nous avons obtenu des mobilités allant jusqu’à SI{80}{squarecentimetrepervoltpersecond} pour les porteurs n et p, et des ratios de courants on/off dépassant SI{e5}{} pour les deux polarités. Pour de forts dopages de type électron, les nanotubes ont un comportement métallique jusqu’à basse température. De plus, utiliser un liquide ionique permet de créer une jonction pn de manière purement électrostatique. En prenant avantage de cet effet, nous avons pu réaliser un transistor photoluminescent dans un nanotube.La possibilité de susciter de très forte densités de charges donne la possibilité d’induire des phases métalliques ou supraconductrices dans des semi-conducteurs a large bande interdite. Nous avons ainsi réussi à induire par effet de champ une phase métallique à basse température dans du diamant intrinsèque avec une surface hydrogénée, et nous avons obtenu un effet de champ dans du silicone dopé métallique.Les liquides ioniques offrent beaucoup d’avantages, mais leur champ d’application est encore réduit par l’instabilité du liquide, ainsi que par les courants de fuites et l’absorption graduelle d’impuretés. Un moyen efficace de s’affranchir de ces inconvénients, tout en conservant la possibilité d’induire de très fortes densités de porteurs, est de gélifier le liquide ionique. Nous sommes allés plus loin en fabriquant des gels ioniques modifiés, avec les cations fixés sur une seule surface et les anions libres de se mouvoir au sein du gel. Cet outil nous a permis de réaliser une nouvelle diode à effet de champ de faible puissance.

Ionic liquids are non-volatile fluids, consisting of cations and anions, which are ionically conducting and electrically insulating and hold very high capacitances. These liquids have the ability to not only to replace solid electrolytes, but to create strongly increased electric fields (>SI{10}{megavoltpercentimetre}) in the so-called electric double layer (EDL) on the electrolyte/channel interface, which leads to the injection of 2D charge carrier densities up to SI{e15}{cm^{-2}}. The remarkably strong gate effect of ionic liquids is diminished in the presence of trapped states and roughness-induced surface disorder, which points out that atomically flat transition metal dichalcogenides of high crystal quality are some of the semiconductors best suited for EDL-gating.We realised EDL-gated field-effect transistors based on multi-walled ce{WS2} nanotubes with operation performance comparable to that of EDL-gated thin flakes of the same material and superior to the performance of backgated ce{WS2} nanotubes. For instance, we observed mobilities of up to SI{80}{squarecentimetrepervoltpersecond} for both p- and n-type charge carriers and our current on-off ratios exceed SI{e5}{} for both polarities. At high electron doping levels, the nanotubes show metallic behaviour down to low temperatures. The use of an electrolyte as topgate dielectric allows the purely electrostatic formation of a pn-junction. We successfully fabricated a light-emitting transistor taking advantage of this utility.The ability of high charge carrier doping suggests an electrostatically induced metal phase or superconductivity in large gap semiconductors. We successfully induced low temperature metallic conduction into intrinsic diamond with hydrogen-terminated surface via field-effect and we observed a gate effect in doped, metallic silicon.Ionic liquids have many advantageous properties, but their applicability suffers from the instability of their liquid body, gate leakage currents and absorption of impurities. An effective way to bypass most of these problems, while keeping the ability of ultra-high charge carrier injection, is the gelation of ionic liquids. We even went one step further and fabricated modified ion gel films with the cations fixed on one surface and the anions able to move freely through the film. With this tool, we realised a novel low-power field-effect diode., Les liquides ioniques sont des fluides non volatiles, constitués de cations et d’anions, qui sont conducteurs ioniques, isolants électriques, et peuvent avoir des valeurs de capacité très élevées. Ces liquides sont susceptibles non seulement de remplacer les électrolytes solides, mais également de susciter des champs électriques intenses (>SI{10}{megavoltpercentimetre}) au sein d’une couche dite double couche électronique (electric double layer, EDL) à l’interface entre le liquide et le matériau sur lequel il est déposé. Ceci conduit à une injection de porteurs de charge bidimensionelle avec des densités allant jusqu’à SI{e15}{cm^{-2}}. Cet effet de grille remarquablement fort des liquides ioniques est réduit en présence d’états piégés ou de rugosité de surface. À cet égard, les dicalchogénures de métaux de transitions, de très haute qualité cristalline et atomiquement plats, font partis des semi-conducteurs les plus adaptés aux grilles EDL.Nous avons réalisé des transistors à effet de champ avec des EDL dans des nanotubes multi-couches de ce{WS2}, avec des performances comparables à celles de transistors EDL sur des ilots de ce{WS2}, et meilleurs que celles de nanotubes de ce{WS2} avec une grille solide. Nous avons obtenu des mobilités allant jusqu’à SI{80}{squarecentimetrepervoltpersecond} pour les porteurs n et p, et des ratios de courants on/off dépassant SI{e5}{} pour les deux polarités. Pour de forts dopages de type électron, les nanotubes ont un comportement métallique jusqu’à basse température. De plus, utiliser un liquide ionique permet de créer une jonction pn de manière purement électrostatique. En prenant avantage de cet effet, nous avons pu réaliser un transistor photoluminescent dans un nanotube.La possibilité de susciter de très forte densités de charges donne la possibilité d’induire des phases métalliques ou supraconductrices dans des semi-conducteurs a large bande interdite. Nous avons ainsi réussi à induire par effet de champ une phase métallique à basse température dans du diamant intrinsèque avec une surface hydrogénée, et nous avons obtenu un effet de champ dans du silicone dopé métallique.Les liquides ioniques offrent beaucoup d’avantages, mais leur champ d’application est encore réduit par l’instabilité du liquide, ainsi que par les courants de fuites et l’absorption graduelle d’impuretés. Un moyen efficace de s’affranchir de ces inconvénients, tout en conservant la possibilité d’induire de très fortes densités de porteurs, est de gélifier le liquide ionique. Nous sommes allés plus loin en fabriquant des gels ioniques modifiés, avec les cations fixés sur une seule surface et les anions libres de se mouvoir au sein du gel. Cet outil nous a permis de réaliser une nouvelle diode à effet de champ de faible puissance.

Non renseigné; Ce travail de doctorat est dédié à l’étude des mécanismes régissant l’interaction lumière-matière dans des dispositifs optoélectroniques à base d’alliages (Al,Ga,In,)N. Diverses compositions de ces alliages sont assemblées en structures multicouches de matériaux d’épaisseurs nanométriques afin d’obtenir une émission à plus grande longueur d’onde que le bleu, couleur pour laquelle la technologie est mature depuis plus de vingt ans. Il s’agit de réaliser des émetteurs efficaces de lumière jaune, verte ou blanche (avec une approche alternative au pompage optique de luminophore par une diode bleue). Les solutions solides assemblées pour obtenir des émissions à grandes longueur d’onde sont à base de GaN et de Ga0.8In0.2N, matériaux pour lesquels les mailles cristallographiques sont désaccordées. Lorsqu’elles sont déposées sur un substrat ou un pseudo-substrat de GaN, matériau pour lequel les dopages n et p sont maitrisés et permettent l’injection électrique des porteurs, les tranches de Ga0.8In0.2N subissent de très fortes compressions dans leur plan de croissance et l’énergie élastique est relaxée par la formation de défauts délétères pour le rendement lumineux. Nous avons construit des hétéro-structures plus complexes en intercalant une couche complémentaire d’Al0.2Ga0.8N afin de réduire la densité d’énergie élastique globale. L’insertion de telles couches améliore la qualité cristalline et augmente leur rendement optique. Nous avons mesuré le rendement quantique interne en utilisant la spectroscopie de photoluminescence résolue en temps et une analyse des temps de déclins par une approche de type Lotka-Volterra des équations de recombinaison pour obtenir les taux de recombinaisons radiatifs et non-radiatifs. Nous avons montré quantitativement comment les champs électriques internes résultant du contraste de polarisation électrique aux interfaces et les recombinaisons non-radiatives de type Schockley-Read-Hall contribuent à définir le rendement quantique à faible densité d’excitations (optique ou électrique). L’objectif est l’obtention d’une émission spontanée intense pour une densité d’excitation modérée. Nous avons donc conduit une campagne d’expériences en variant l’intensité d’injection. Nous avons montré que l’effet Auger est le facteur dominant régissant la chute du rendement quantique interne sous fortes densités d’injection. Nous avons étudié diverses architectures à simple puits quantique ou à puits quantiques multiples émettant à des longueurs d’onde identiques pour quantifier l’influence spécifique de l’effet Stark confiné quantique. Nous avons corrélé l’apparition d’un seuil d’excitation au-delà duquel domine la recombinaison non-radiative de type Auger avec l’augmentation du temps de recombinaison radiative et de l’énergie de localisation des porteurs dans l’alliage inhomogène. Nous arrivons à la conclusion que la localisation des porteurs produite par le champ électrique aux interfaces et les fluctuations de la composition chimique de Ga0.8In0.2N contribuent de concert, facilitant l’interaction répulsive électron-électron et la recombinaison non-radiative Auger nnp. Nous avons montré que le modèle ABC permet de bien décrire la physique du phénomène si ses trois paramètres tiennent compte des effets d’écrantages sous injections modérées et des effets de remplissage de l’espace des phases sous fortes injections. Enfin, nous nous sommes écartés de l’étude des structures traditionnellement épitaxiées selon le plan polaire (0001) pour choisir des plans d’épitaxie semi-polaire (11-22). Dans ces conditions, il a été nécessaire de fabriquer des puits quantiques en Ga0.65In0.35N. Nous avons montré que la quasi-absence d’effet Stark confiné quantique augmente de manière très significative le seuil d’excitation au-delà duquel domine la recombinaison non-radiative de type Auger. Cette amélioration par rapport aux échantillons épitaxiés selon le plan (0001) est d’autant plus marquée que la longueur d’onde émise est grande.

Semiconductor nano-spintronics requires combining magnetism and nanoelectronics functions into a single semiconductor nanostructure. An attractive method consists in preparing diluted magnetic semiconductors (DMS), where hole-mediated ferromagnetism appears with p-type doping. II-VI DMS allow to control separately the carriers and the Mn concentrations, since the Mn ions are not electrical dopants. II-VI semiconductor nanowires (NWs) are a model system offering the possibility to engineer the wavefunction and the strain in well-chosen heterostructures containing the magnetic impurities. This requires an optimal growth of NW-based heterostructures, and the possibility to control the doping level, which is a major challenge in present NW research. In this context, my PhD project has been devoted to three main investigation axis: the growth by molecular beam epitaxy (MBE) of Au-catalyzed ZnTe NWs, the control of the aspect ratio of CdTe quantum dots (QDs) embedded in ZnTe NWs, and the nitrogen doping of ZnTe NW.Concerning the growth of ZnTe NWs, the problem of an incubation time different from NW to NW has been studied using a marker technique. A new method involving the preparation of Au catalyst under Zn flux has been demonstrate to efficiently suppress differences in the incubation times, reducing the length dispersion in the same sample to factor of 2 instead of 10 and improving the yield of vertical NWs of 80% instead of 20%. Complementary XRD experiments gave further information about the importance of the relative orientation between the Au catalysts and the ZnTe(111)B growth substrate.The aspect ratio of CdTe QDs is an important way to control the QD ground state (between light hole and heavy hole). This can be achieved by changing the growth time of the QDs, but requires (1) the suppression of the lateral growth (giving parasitic QDs) and (2) reproducibility from a sample to another which relies on a precise control of the growth temperature within a very narrow window of 10° C. This was demonstrated in our growth conditions with a coupled study of growth of multi-QD-NW CdTe-ZnTe heterostructures and transmission electron microscopy characterization.Then the results of the growth by molecular beam epitaxy and characterization of nitrogen doped ZnTe/ZnTe:N core/shell NWs will be presented. Single NW based field effect transistor were realized by electron beam lithography for electrical characterization. We were able to obtain ZnTe/ZnTe:N core/shell NWs showing a p-type carrier density of 6 ×18 holes/cm3 at room temperature, of the same order as the Mott critical density in ZnTe.; La nanospintronique basée sur les semi-conducteurs implique la combinaison des fonctions nanoélectroniques et magnétiques au sein d’une nanostructure unique. Une méthode intéressante consiste en la préparation d’un semi-conducteur magnétique dilué (DMS), dans lequel le ferromagnétisme induit par les trous est obtenu par le dopage de type P. Les DMS II-VI permettent de contrôler séparément les porteurs et la concentration du Mn, puisque les ions de Mn ne sont pas des dopants électriques. Les nanofils (NW) de semi-conducteurs II-VI représentent un système modèle permettant de concevoir la fonction d’onde et la déformation au sein d’heterostructures parfaitement contrôlées et contenant les impuretés magnétiques. Ceci nécessite une croissance optimale d’heterostructures dans la géométrie des nanofils et un contrôle précis du niveau du dopant, ce qui constitue une des difficultés majeures dans l’état actuel des recherches.Dans ce contexte, mon travail de Thèse s’est focalisé sur trois principaux axes de recherche : la croissance par épitaxie par jets moléculaires de nanofils de ZnTe catalysés par nanoparticules d’Au, la maîtrise du rapport de forme des boites quantiques de CdTe insérées dans les fils de ZnTe, et le dopage azote des fils de ZnTe.Concernant la croissance des fils de ZnTe, le problème de la variabilité des temps d’incubation d’un fil à l’autre a été étudié à l’aide de la technique des marqueurs. Une nouvelle méthode basée sur la préparation du catalyseur d’Au sous flux de Zn a démontré son efficacité dans la suppression de variabilité des temps d’incubation, réduisant la dispersion des longueurs sur un même échantillon d’un facteur 10 à un facteur 2, et augmentant le taux de succès des fils verticaux de 20% à 80%. Des mesures complémentaires de diffraction des rayons X ont fourni des informations supplémentaires sur l’importance de l’orientation relative entre le catalyseur d’Au et le substrat ZnTe(111)B.Le rapport de forme des boites quantiques de CdTe est un moyen pour maîtriser leur état fondamental (entre trou léger et trou lourd). Ceci peut être obtenu en contrôlant le temps de croissance des boite quantiques, mais demande (1) la suppression de la croissance latérale (responsable de la formation de boites parasites) et (2) la reproductibilité d’un échantillon à l’autre, basée sur une maîtrise de la température de croissance avec une précision meilleure que 10 degrés. Ceci a été validé dans nos conditions de croissance par une étude croisée de croissance d’heterostructures de ZnTe avec multiples boites quantiques de CdTe et de caractérisation par microscopie électronique.Je présenterai les résultats des croissances par épitaxie pa jets moléculaires et des caractérisations des nanofils de ZnTe /ZnTe:N cœur/coquille avec dopage azoté. Des transistors à effet de champ basé sur des nanofils isolés ont été fabriqués pour la caractérisation électrique. Nous avons obtenu des fils de ZnTe/ZnTe:N cœur/coquille présentant des densités de charges de 6×18 trous/cm3 à température ambiante, du même ordre que la densité critique de Mott pour le ZnTe.

The objective of my thesis work was to develop a new technique of Non-radiative Excitation Fluorescence Microscopy to study the interactions membrane/substrate.This technique is achieved by coating the substrate with donor species, such as quantum dots (QDs). Thus the dyes are not excited directly by the laser source, as in common fluorescence microscopy, but through a non-radiative energy transfer.To prevent dewetting of the donor film, we have implemented a silanization process to covalently bond the QDs on the substrate. A monolayer of QDs was then deposited on only one side of the coverslips. We highlight the potential of our method through the study of Giant Unilamellar Vesicles (GUVs) labeled with DiD as acceptor, in interaction with surface functionalized with poly-L-lysine. In the presence of GUVs, we observed together a quenching of QDs emission and emission of DiD located in the membrane, which clearly indicated that non-radiative energy transfer from QDs to DiD occurs. By changing salt concentration in the solution, we have been able to finely control the force of the interaction and thus modify the equilibrium distance between the surface and the membrane. From quantitative measurements of quenching of QDs and fluorescence emitted by non-radiative transfer, we calculate the equilibrium distances and obtain a mapping of these distances with a nanometric optical resolution. Based on this study, our functionalization technique is also used to observe the adhesion of living cells, U87MG on different surfaces in order to observe their focal points; L’objectif de mon travail de thèse a été de mettre au point une nouvelle technique de nanoscopie de fluorescence par excitation non radiative pour l’étude des interactions membrane/substrat. Cette technique repose sur la modification d’une lamelle de verre par une monocouche de boîtes quantiques (QDs). Les QDs joueront alors le rôle de donneurs lors du transfert d’énergie non radiatif. Afin d’obtenir un transfert d’énergie entre cette surface et une membrane (vésicule géante unilamellaire ou cellule vivante), cette dernière est marquée par un fluorophore amphiphile jouant le rôle d’accepteur. Notre étude s’est principalement portée sur l’étude de l’adhésion des vésicules (système modèle de cellule) sur une surface de QDs recouverte de poly-L-lysine. Une attraction électrostatique forte est alors induite, conduisant à l’adhésion des vésicules sur la surface En ajoutant un sel en solution, nous avons pu contrôler finement la force de l’interaction et donc modifier la distance d’équilibre entre la surface et la membrane. A partir de mesure quantitative du quenching des QDs et de la fluorescence émise par le transfert non radiatif, nous avons pu calculer les distances d’équilibre et obtenir une cartographie de ces distances avec une résolution optique nanométrique. Nous avons également utilisé cette technique pour étudier l’adhésion membranaire des cellules U87MG sur différentes surfaces afin d’observer leur points focaux

The objective of my thesis work was to develop a new technique of Non-radiative Excitation Fluorescence Microscopy to study the interactions membrane/substrate.This technique is achieved by coating the substrate with donor species, such as quantum dots (QDs). Thus the dyes are not excited directly by the laser source, as in common fluorescence microscopy, but through a non-radiative energy transfer.To prevent dewetting of the donor film, we have implemented a silanization process to covalently bond the QDs on the substrate. A monolayer of QDs was then deposited on only one side of the coverslips. We highlight the potential of our method through the study of Giant Unilamellar Vesicles (GUVs) labeled with DiD as acceptor, in interaction with surface functionalized with poly-L-lysine. In the presence of GUVs, we observed together a quenching of QDs emission and emission of DiD located in the membrane, which clearly indicated that non-radiative energy transfer from QDs to DiD occurs. By changing salt concentration in the solution, we have been able to finely control the force of the interaction and thus modify the equilibrium distance between the surface and the membrane. From quantitative measurements of quenching of QDs and fluorescence emitted by non-radiative transfer, we calculate the equilibrium distances and obtain a mapping of these distances with a nanometric optical resolution. Based on this study, our functionalization technique is also used to observe the adhesion of living cells, U87MG on different surfaces in order to observe their focal points, L’objectif de mon travail de thèse a été de mettre au point une nouvelle technique de nanoscopie de fluorescence par excitation non radiative pour l’étude des interactions membrane/substrat. Cette technique repose sur la modification d’une lamelle de verre par une monocouche de boîtes quantiques (QDs). Les QDs joueront alors le rôle de donneurs lors du transfert d’énergie non radiatif. Afin d’obtenir un transfert d’énergie entre cette surface et une membrane (vésicule géante unilamellaire ou cellule vivante), cette dernière est marquée par un fluorophore amphiphile jouant le rôle d’accepteur. Notre étude s’est principalement portée sur l’étude de l’adhésion des vésicules (système modèle de cellule) sur une surface de QDs recouverte de poly-L-lysine. Une attraction électrostatique forte est alors induite, conduisant à l’adhésion des vésicules sur la surface En ajoutant un sel en solution, nous avons pu contrôler finement la force de l’interaction et donc modifier la distance d’équilibre entre la surface et la membrane. A partir de mesure quantitative du quenching des QDs et de la fluorescence émise par le transfert non radiatif, nous avons pu calculer les distances d’équilibre et obtenir une cartographie de ces distances avec une résolution optique nanométrique. Nous avons également utilisé cette technique pour étudier l’adhésion membranaire des cellules U87MG sur différentes surfaces afin d’observer leur points focaux

To fabricate 22 nm FDSOI and 10 nm 3D FinFET transistors, ultrathin layers of several nanometers thickness must be etched without damaging the under layer, which can no longer be managed using processes based on high density continuous plasmas. To meet those new challenges, we study in this thesis a new etching technology where the surface of the material is modified under plasma exposure and then removed chemically selectively with respect to the non modified material. We focus here on the understanding of the modification of the SiN material induced by H2 and He plasmas, followed by a chemical etching in HF aqueous solution. First, a protective coating is developed to prevent the contamination of the substrate and the degradation of the wall. Diagnostics in H2 and He plasmas were then carried out to determine the nature of the ions, their fluxes and their energies. After He plasma exposure of the SiN, surface characterizations (FTIR, SIMS) first show that the SiN chemical composition is unchanged. Moreover, the good correlation between the etch rates in HF and the ion implantation profiles calculated by SRIM allows to conclude the increase of the etch rate is due to the ion-induced damages on the material. After H2 plasma exposure, the etch rate of SiN in HF mainly depends on the hydrogen concentration of the film. A synergetic effect occurs between H radicals and the ionic bombardment: the ions induce dangling bonds which are unavoidable to form Si-H and N-H bonds with the radicals. In addition, we show the plasma exposure time and the ion dose play a key role in the formation of the modified layer who sometimes only reaches a steady state after a relatively long time., Pour la réalisation des transistors FDSOI 22 nm et 3D FinFET 10 nm, la gravure de couches ultraminces de quelques nanomètres d’épaisseur doit être réalisée sans endommagement de la couche sous-jacente et n’est plus envisageable avec les procédés reposant sur les plasmas continus à haute densité. Une nouvelle technologie de gravure est étudiée dans cette thèse : elle consiste à modifier la surface d’un matériau sous l’action d’un plasma et à retirer par voie chimique le matériau modifié sélectivement par rapport au matériau non modifié. Nous nous focalisons ici sur la compréhension de la modification du matériau SiN induite par les plasmas de H2 et He, suivie d’une gravure chimique réalisée en solution de HF. Tout d’abord, un dépôt de conditionnement est développé pour prévenir la contamination du substrat et la dégradation des parois. Des diagnostics en plasmas de H2 et He sont ensuite réalisés pour déterminer la nature des ions, leurs flux et leurs énergies. Après exposition du SiN au plasma d’hélium, les caractérisations de surface (FTIR, SIMS) indiquent premièrement que la composition chimique du SiN est inchangée. De plus, la bonne corrélation entre les vitesses de gravure en HF avec les simulations de l’implantation des ions sous SRIM permet de conclure que l’augmentation de la vitesse de gravure est due aux dégâts induits par les ions dans le matériau. Après exposition au plasma d’hydrogène, la vitesse de gravure du SiN en HF dépend essentiellement de la concentration en hydrogène dans le matériau. Une synergie a lieu entre les radicaux H du plasma et le bombardement ionique : les ions créent des liaisons pendantes qui sont indispensables à la formation de liaisons Si-H et N-H par les radicaux. En outre, nous montrons que le temps de plasma de H2 et la dose d’ions ont une importance capitale dans la formation de la couche modifiée qui n’atteint parfois un état stationnaire qu’au bout d’un temps relativement long.

International audience; High-speed imaging records images at much higher rates than the human eye. This allows the prompt analysis of phenomena in the laboratory or the industrial plant. Since the advent of digital onboard memory cameras (CCD and CMOS), recording rates of up to 25000 FPS have been reached for megapixel format. Decimating resolution allows one million frames per second. These stupendous rates are permitted at full resolution using storage sites close to the active image, but only for a few hundred images. The response of the sensors to light must be very high, and thus permits very short shutter time. Progress in architecture of the sensors and storage management is optimizing bandwidth for the transfer of information at top speed.; L’acquisition ultrarapide d’images assiste utilement l’œil humain et permet d’analyser le phénomène en laboratoire et dans l’industrie. Depuis l’avènement des caméras numériques à mémoire embarquée, des vitesses de 25000 images/s sont aujourd'hui atteintes au format mégapixel et même 106 images/s en décimant la résolution. Ces cadences folles sont permises en pleine résolution en utilisant des sites de stockage proches de l’image active, mais seulement pour quelques centaines d’images. La réponse des capteurs à une sollicitation lumineuse doit être très élevée et autorise ainsi des temps d’obturation très courts. Les progrès réalisés, en architecture des capteurs et en gestion de la mémoire de stockage, optimisent la bande passante pour le transfert de l’information… à pleine vitesse.

High-speed imaging records images at much higher rates than the human eye. This allows the prompt analysis of phenomena in the laboratory or the industrial plant. Since the advent of digital onboard memory cameras (CCD and CMOS), recording rates of up to 25000 FPS have been reached for megapixel format. Decimating resolution allows one million frames per second. These stupendous rates are permitted at full resolution using storage sites close to the active image, but only for a few hundred images. The response of the sensors to light must be very high, and thus permits very short shutter time. Progress in architecture of the sensors and storage management is optimizing bandwidth for the transfer of information at top speed., L’acquisition ultrarapide d’images assiste utilement l’œil humain et permet d’analyser le phénomène en laboratoire et dans l’industrie. Depuis l’avènement des caméras numériques à mémoire embarquée, des vitesses de 25000 images/s sont aujourd'hui atteintes au format mégapixel et même 106 images/s en décimant la résolution. Ces cadences folles sont permises en pleine résolution en utilisant des sites de stockage proches de l’image active, mais seulement pour quelques centaines d’images. La réponse des capteurs à une sollicitation lumineuse doit être très élevée et autorise ainsi des temps d’obturation très courts. Les progrès réalisés, en architecture des capteurs et en gestion de la mémoire de stockage, optimisent la bande passante pour le transfert de l’information… à pleine vitesse.

Decoherence in solids is a major issue towards the realization of a quantum processor based on semiconductor quantum dots (QDs) as optically active qubits. Measuring and controlling the optical coherence of such qubits is required in their fundamental studies, paving a way for technological applications. However, their nanometer size combined to the sub-nanosecond lifetime of their optical transitions, render experimental measurements very challenging. This thesis presents a detailed study of the dephasing mechanisms and the coherent coupling of excitonic complexes strongly confined in individual InAs/GaAs QDs. To achieve these measurements, I developed an heterodyne four-wave mixing experiment sensitive to the amplitude and phase of the electric field emitted by a single QD. With this setup one can measure the lifetime and the coherence time of a single exciton, even in the presence of inhomogeneous broadening. To increase the light-matter interaction and the extraction efficiency of the signal, the use of photonic nanostructures has proved to be necessary. The optical sensitivity of the setup allowed me to study in detail the mechanisms of exciton-phonon interaction, which is an important source of decoherence in solids, like the acoustic polaron formation, the quadratic coupling to acoustic phonons, and the excitation-induced dephasing. Furthermore, by inferring two-dimensional spectra, I demonstrate coherent couplings between various exciton complexes. Finally, I highlight a new multi-wave mixing protocol to control the coherent response of a single exciton, and I propose to employ it to control long-range radiative coupling between two QDs, which is a fundamental step towards achieving a quantum logic gate in solids., La décohérence dans les solides est un problème majeur vers la réalisation d'un processeur quantique basé sur l'utilisation de boîtes quantiques (BQs) semiconductrices comme qubits optiquement actifs. Mesurer et contrôler la cohérence optique de tels qubits s'avère donc primordial, tant d'un point de vue technologique que fondamental. Cependant, leurs tailles nanométriques, associées aux temps de vie sub-nanosecondes de leurs transitions optiques, rendent les mesures expérimentales très délicates. Ce travail de thèse propose une étude détaillée des mécanismes de déphasage et de couplage cohérent de complexes excitoniques fortement confinés dans des BQs InAs/GaAs individuelles. Pour réaliser ces mesures, j'ai développé une expérience de mélange à quatre ondes hétérodyne sensible à l'amplitude et à la phase du champ électrique émis par une BQ unique. Ce dispositif permet de mesurer le temps de vie et de cohérence d'un exciton unique, même en présence d'élargissement inhomogène. Pour augmenter l'interaction lumière-matière et l'efficacité d'extraction du signal, l'utilisation de nanostructures photoniques s'est avérée indispensable. La sensibilité optique du dispositif m'a permis d'étudier en détail les mécanismes d'interaction exciton-phonon, source importante de décohérence dans les solides, comme la formation du polaron acoustique, le couplage quadratique aux phonons acoustiques, et le déphasage induit pendant l'excitation. Par ailleurs, la réalisation de spectres bidimensionnels m'a permis de révéler le couplage cohérent entre différentes transitions excitoniques. Enfin, je présente un nouveau protocole de mélange multi-ondes permettant de contrôler la réponse cohérente d'un exciton unique que je propose d'appliquer sur une paire de BQs pour contrôler le couplage radiatif longue distance, étape fondamentale vers la réalisation d'une porte logique quantique dans les solides.

This work is focused on the engineering and characterization of the frequency-time properties of photon pairs generated with a semiconductor source. This device emits photons propagating in opposite directions at telecom wavelengths using spontaneous parametric down-conversion at room temperature. A microcavity integrated in the source allows the resonance of the transverse pump beam, enhancing the efficiency of the nonlinear interaction. We give a theoretical description of the down-conversion process in the source and we show how the spatial and spectral properties of the pump beam impact the properties of the photons, in particular their degree of entanglement in frequency allowing a versatile engineering. The variety of states that can be produced is illustrated using the Joint Spectral Amplitude. Two techniques allowing the characterization of the Joint Spectral Intensity have been implemented. The first one is a single photon spectrograph. The second one, based on the stimulation of the down-conversion process showed a dramatic improvement in terms of resolution and integration time. Both techniques allowed the demonstration of the frequency correlation engineering by varying the waist and curvature radius of the pump beam. Examples of more exotic states and a technique to characterize their chronocyclic Wigner function are theoretically investigated. The relationship between time-frequency properties and degree of entanglement in polarization of the biphoton is also explored., Ce travail porte sur l'ingénierie et la caractérisation des propriétés temps-fréquence de paires de photons générées par une source semiconductrice. Ce dispositif utilise la conversion paramétrique à température ambiante pour émettre des paires de photons se propageant dans des directions opposées et aux longueurs d'onde télécom. Une microcavité intégrée à la source permet d'augmenter l'efficacité de l'interaction nonlinéaire par résonance du champ de pompe transverse. Nous présentons la théorie de la conversion paramétrique dans cette source et nous montrons comment les propriétés spatiales et spectrales du faisceau de pompe influencent les propriétés des photons, en particulier leur degré d'intrication en fréquence, permettant un ingénierie souple. La variété d'états pouvant être produits est illustrée à l'aide de l'amplitude spectrale jointe. Deux techniques permettant la caractérisation de l'intensité spectrale jointe ont été implémentées. La première est un spectrographe à photons uniques ; la seconde, basée sur la stimulation du processus de conversion paramétrique, a permis une amélioration dramatique de la résolution et du temps d'intégration. Les deux approches ont permis la démonstration de l'ingénierie des corrélations en fréquences en variant la taille et la courbure du faisceau de pompe. Des exemples d'états plus exotiques et une méthode pour caractériser leur fonction de Wigner chronocyclique sont étudiés théoriquement. La relation entre les propriétés temps-fréquence et le degré d'intrication en polarisation de la paire est aussi explorée.

One of the main issues in the domain of quantum information and communication is the generation, manipulation and detection of several qubits on a single chip. Several approaches are currently investigated for the implementation of qubits on different types of physical supports and a variety of quantum information technologies are under development: for quantum memories, spectacular advances have been done on trapped atoms and ions, while to transmit information, photons are the ideal support thanks to their high speed of propagation and their almost immunity against decoherence. My thesis work has been focused on the conception, fabrication and characterization of a miniaturized semiconductor source of entangled photons, working at room temperature and telecom wavelengths. First the theoretical concepts relevant to understand the work are described (chapter 1). Then the conception and fabrication procedures are given (chapter 2). Chapter 3 presents the optoelectronics characterization of the device under electrical pumping, and chapter 4 the results on the optical losses measurements and the nonlinear optical characterization (second harmonic generation, spontaneous parametric down conversion and joint spectral intensity reconstruction). Chapters 5 and 6 focus on the characterization of the quantum state generated by a passive sample (demonstration of indistinguishability and energy-time entanglement) and its utilization in a multi- user quantum key distribution protocol (polarization entanglement). Finally the work on the first electrically driven photon pairs source emitting in the telecom range and working at room temperature is presented (chapter 7)., Un des plus grands challenges dans le domaine de l’information quantique est la génération, manipulation et détection de plusieurs qubits sur des micro-puces. On assiste ainsi à un véritable essor des technologies pour l’information quantique et pour transmettre l’information, les photons ont un grand avantage sur les autres systèmes, grâce à leur grande vitesse et leur immunité contre la décohérence. Mon travail de thèse porte sur la conception, fabrication et caractérisation d’une source de photons intriqués en matériaux semiconducteurs d’une très grande compacité. Ce dispositif fonctionne à température ambiante, et émet dans la bande de longueurs d’onde télécom. Après une présentation des concepts fondamentaux (chap. 1), le chap. 2 explique la conception et la fabrication des dispositifs. Le chap. 3 présente les caractérisations opto-électroniques des échantillons pompés électriquement, et le chap. 4 les résultats des mesures de pertes et des caractérisations non-linéaires optiques (génération de seconde harmonique, conversion paramétrique spontanée et reconstruction de l’intensité spectrale jointe). Les chap. 5 et 6 se concentrent sur la caractérisation des états quantiques générés par un dispositif passif (démonstration de l’indiscernabilité et de l’intrication en énergie-temps) et leur utilisation dans un protocole de distribution de clés quantiques multi-utilisateurs (intrication en polarisation). Finalement le travail sur le premier dispositif produisant des pairs de photons dans les longueurs d’onde télécoms, injecté électriquement et fonctionnant à température ambiante est présenté (chap. 7).