Nous avons déterminé la pression locale dans des nanocristaux de CdS/ZnS grâce à la phosphorescence de l'ion manganèse. Cet élément dopant a été placé suivant des positions radiales contrôlées dans une coque de ZnS formée couches par couches. Les mesures de pression expérimentales sont remarquablement proches de celles déterminées en utilisant le modèle simple de mécanique d'une sphère élastique isotrope. Ainsi le modèle de la sphère élastique isotrope peut servir à la compréhension de certains phénomènes observés tels que les changements de phases cristallines, ou la rupture sous contraintes de certaines coques et peut permettre une meilleure conception des nanoparticules coeur/coque. Dans un deuxième temps, nous avons mis au point la synthèse de puits quantiques colloïdaux de CdSe, CdS et CdTe. L'épaisseur de ces nanoparticules est contrôlée à la monocouche atomique près et elles présentent des propriétés physiques exceptionnelles. Nous citerons, notamment, leur émission avec des largeurs à mi-hauteur de l'ordre de kT à température ambiante. Enfin, nous montrons qu'il est possible d'étendre latéralement ces nanoparticules et le modèle k.p appliqué aux puits quantiques permet de revenir aux vraies épaisseurs des nanoplaquettes et de vérifier les paramètres physiques pour les trois matériaux.

Les nitrures d'éléments III et les alliages à base de ZnO, semi-conducteurs à large bande interdite étudiés au CRHEA, cristallisent dans la structure hexagonale wurtzite. Cette structure a la particularité d'être une structure polaire et les polarisations internes ont donc une forte influence sur les propriétés des hétérostructures à base de ces matériaux. Pour minimiser les effets de ces polarisations internes, un intense effort de recherche est mené sur l'étude d'hétérostructures fabriquées selon des orientations non- et semi-polaires. Cette étude est dédiée aux propriétés structurales de telles hétérostructures avec comme outil principal d'investigation la microscopie électronique en transmission. Les relations épitaxiales entre les films wurtzites et les substrats de saphir orientés R et M ont été déterminées. L'influence de ces relations épitaxiales sur les microstructures a été également mise ne évidence. Dans un second temps, les défauts structuraux présents ont été caractérisés en détail. Les densités de ces défauts sont très grandes et incompatibles avec l'utilisation de telles hétérostructures que ce soit pour la détermination fine des propriétés intrinsèques que pour leur utilisation dans des dispositifs optoélectroniques. Les procédés de croissance mis en place pour diminuer les densités de défauts seront présentés ainsi que les mécanismes permettant ces améliorations de la qualité cristalline.

L'évolution des composants d'électronique de puissance se heurte aujourd'hui aux limites physiques du silicium. L'utilisation des semi-conducteurs à large bande interdite permettraient de dépasser ces limites. Parmi ces nouveaux matériaux, le diamant possède les propriétés les plus intéressantes pour l'électronique de puissance : champ de rupture et conductivité thermique les plus élevés parmi les solides, grandes mobilités des porteurs électriques, possibilité de fonctionnement à haute température& Les substrats de diamant synthétisés actuellement par des méthodes de dépôt en phase vapeur ont des caractéristiques cristallographiques compatibles avec l'exploitation de ces propriétés en électronique de puissance. L'utilisation technologique du diamant reste toutefois difficile ; ses propriétés de dureté et d'inertie chimique rendent son utilisation délicate. L'objet de ces travaux est dans un premier temps d'évaluer les bénéfices que pourrait apporter le diamant en électronique de puissance. Ensuite, différentes étapes technologiques nécessaires à la fabrication de composants sur diamant sont étudiées : dépôts de contacts électriques, dopage et gravure ionique. Enfin, une étude sur la fabrication de diodes Schottky est présentée. Les résultats obtenus permettent d'établir les perspectives à ces travaux et les challenges scientifiques et technologiques qu'il reste à relever.

Bien que la méthode des liaisons fortes avec son modèle sp3d5s représente l'état de l'art des calculs des propriétés électroniques et optiques des nanostructures à base de semiconducteurs, elle souffre d'un grave défaut : la forme spatiale des fonctions de base est inconnue, ce qui empêche le calcul des effets de corrélations entre quasi-particules. Nous avons proposé dans ce travail une méthode d'interpolation des fonction d'ondes mono-électroniques qui complète sur ce point la théorie des liaisons fortes. Cette méthode consiste à partir d'une base d'orbitales atomiques (dans la pratique, des orbitales de Slater) dotée de paramètres d'écrantage ajustables et de mettre en oeuvre une procédure d'orthogonalisation de Löwdin pour obtenir une base de projection de l'Hamiltonien des liaisons fortes. Ensuite, nous avons utilisé une procédure d'optimisation pour ajuster les paramètres d'écrantage de la base de départ de telle sorte que les propriétés optiques calculées à partir de l'Hamiltonien des liaisons fortes et celles calculées à partir des fonctions d'onde coïcident. Les résultats de cette une approche auto-cohérente ont été comparés à ceux des calculs ab initio et de la méthode des pseudopotentiels empiriques. Un premier test de la qualité des fonctions d'onde obtenues, ainsi qu'une application de la méthode, ont été réalisés en calculant les interactions de Coulomb directe et d'échange entre des paires électron-trou dans le GaAs massif. Nous avons ainsi obtenu la courbe de dispersion de la structure fine des excitons, en traitant sur un pied d'égalité tous les ingrédients du problème : détails de la dispersion monoélectronique tels que le warping de la bande de valence et les splittings de spin des électrons et des trous, interaction de Coulomb directe et interactions d'échange à courte et longue portée. Nos résultats sont en très bon accord avec les valeurs expérimentales de l'énergie de liaison et du splitting longitudinal-transverse.

Au cours des dix dernières années, les performances des lasers à cascade quantique dans le moyen infrarouge ont connu une progression rapide: Les rendements ont atteint des valeurs supérieures à 20% avec une puissance d'émission de 5W en régime continu, à température ambiante. Ces valeurs ont été atteintes notamment grâce à la diminution de la sensibilité des lasers à l'échauffement, avec des températures caractéristiques T0 s'approchant de 300K. Les performances sont donc actuellement limitées par la puissance injectée, qui est proportionnelle à la taille de la zone de gain. Les travaux de cette thèse présentent une solution innovante, consistant à combiner un réseau d'émetteurs de petites tailles de façon monolithique. Nous démontrons expérimentalement pour la première fois, des dispositifs jusqu'à 32 émetteurs de 2µm de larges, émettant en phase par couplage évanescent. De plus, nous mettons en évidences des résistances thermiques record. Ces résultats mettent en évidence la possibilité de fabriquer des sources de hautes puissances (supérieures à 10W) dans le moyen-infrarouge avec une très bonne qualité de faisceau.

Dans ce manuscrit de thèse, nous nous intéressons au couplage entre le champ électromagnétique quantifié au sein d'un résonateur optique et la transition cyclotron d'un gaz d'électrons bidimensionnel soumis à un champ magnétique perpendiculaire. Nous montrons que ce système peut atteindre un régime de couplage ultrafort inédit, dans lequel la fréquence de Rabi du vide (quantifiant l'intensité de l'interaction lumière-matière) devient comparable ou plus grande que la fréquence de la transition cyclotron pour des facteurs de remplissage suffisamment élevés. Nos prédictions théoriques ont alors donné lieu à une vérification expérimentale spectaculaire. En outre, nous avons généralisé la théorie au cas du graphène dont les excitations de basse énergie sont convenablement décrites par un hamiltonien de Dirac sans masse. Nous montrons que si le couplage ultrafort peut également être atteint dans ce cas, des différences qualitatives importantes apparaissent par rapport au cas des fermions massifs du semiconducteur.

Les composants semiconducteurs de puissance sont depuis toujours à la base des développements des convertisseurs statiques. Le rôle d'interrupteur qu'ils jouent, conditionne l'évolution des structures. Avec l'apparition au début des années quatre vingt des IGBT, le monde des composants de puissance a été bouleversé. Issu des structures MOS, ce nouveau composant a ouvert à la famille des composants à grille isolée les applications de moyennes et de fortes puissances. Deux raisons expliquent cette évolution. D'une part, les progrès effectués par les fabricants de semiconducteurs (Front End) ont permis d'obtenir des tenues en tension de plusieurs kilovolts, et, d'autre part les progrès effectués sur l'encapsulation (Back End) ont autorisé de forts pouvoirs d'évacuation de la chaleur et donc de fortes intensités. Au cours de nos dix années de recherche, nous nous sommes attachés à participer au développement de ces nouveaux composants. Sur le plan électrique, avec une approche de concepteur de convertisseur, nous avons mis en évidence l'apport des IGBT en électronique de puissance en participant, entre autres, à des développements d'associations de composants pour répondre aux applications de la traction électrique. Nous avons rapidement montré, l'importance des assemblages sur lesquels ces composants sont reportés et particulièrement de leurs caractéristiques thermiques. La seconde partie de notre travail a concerné l'étude thermique de ces assemblages. L'étude des stratégies de refroidissement par microthermie a été initiée pour repousser les limites des structures classiques de refroidissement. Enfin, pour répondre à la fois à des considérations thermiques et électriques, une action a été engagée sur la connectique interne aux composants. Un nouveau concept de boîtier a été réalisé et breveté. Dans une démarche d'intégration système, nous avons initié des travaux d'intégration de micro refroidisseurs dans le semiconducteur pour concevoir, de manière cohérente, la fonction interrupteur. Pour assurer une approche fonctionnelle sécurisée, des travaux sont aussi engagés sur l'intégration monolithique d'éléments de commande et de protection. Dans notre projet de recherche, en prospective, nous développons l'idée que l'électronique de puissance doit, comme l'électronique l'a fait, évoluer vers une intégration pour répondre tant aux besoins des utilisateurs que des concepteurs.

Les fonctions d'excitation de fusion-évaporation des systèmes 70Zn+150Nd et 86Kr+130,136Xe sont mesurées pour une énergie d'excitation du noyau composé (216,220,222Th) variant de 7 MeV à 70 MeV (soit 4 à 5 MeV par nucléon d'énergie incidente), auprès de l'UNILAC du laboratoire de recherche GSI, Darmstadt (Allemagne). Après désexciation par évaporation (xn, pxn et αxn), les noyaux résiduels sont séparés du faisceau principal et des autres produits de réaction par le filtre de vitesse SHIP et implantés dans un détecteur à localisation. Les énergies caractéristiques des alphas de décroissance de ces noyaux permettent de les identifier et de déduire leur taux de production. Les fonctions d'excitation expériementales de fusion-évaporation sont comparées avec celles menant aux mêmes noyaux composés obtenus par d'autres combinaisons projectile et cible et avec celles calculées par un code développé au GSI. Ce code permet d'évaluer l'évolution des probabilités de fusion avec l'énergie incidente pour chaque système. La variation des sections efficaces et de la probabilité de fusion est étudiée en fonction des variables macroscopiques et microscopiques des noyaux projectiles et cibles. Dans la synthèse de noyaux super-lourds, ces résultats démontrent quantitativement l'intérêt d'utiliser des partenaires de fusion riches en neutrons d'une part et à couche fermée d'autre part (la section efficace de fusion augmente d'un facteur 9 par paire de neutrons supplémentaires). Par contre, la présence d'une couche fermée dans le noyau composé n'influence pas la section efficace de fusion. Il sera moins difficle de synthétiser des noyaux de Z supérieur à 110 à partir de faisceaux secondaires de projectiles enrichis en neutrons, ce qui permettra aussi d'atteindre les isotopes des noyaux super-lourds proches des vallées de stabilité.

La création d'un gaz de trous bidimensionnel dans un puits quantique (Cd,Mn)Te permet d'induire une interaction ferromagnétique entre les spins localisés du semiconducteur magnétique dilué. Une nouvelle méthode de dopage utilisant les pièges à la surface de l'échantillon a été mise au point ; elle a permis d'étendre la gamme des valeurs expérimentalement accessibles pour les densités de spins et de porteurs. Les propriétés magnétiques sont mesurées par spectroscopie magnéto-optique (photoluminescence). Nous mesurons une température critique plus élevée que la température de Curie-Weiss, ce qui suggère un effet du désordre. Des mesures locales de la photoluminescence permettent de tracer des cartes de l'aimantation spontanée, de la densité de porteurs et de la densité de spins localisés : les échantillons dopés par la surface présentent des fluctuations de densité de porteurs plus grandes que les échantillons dopés par impuretés azote, et ces fluctuations induisent directement des fluctuations de l'aimantation spontanée.

Les propriétés électroniques de (Ga,Mn)N ont été étudiées par spectroscopie d'absorption des rayons X au seuil K du Mn. Des calculs ab-initio ont été utilisés pour interpréter les spectres d'absorption de (Ga,Mn)N. Deux pré-pics sont présents dans le seuil du Mn: le premier pré-pic est attribué aux transitions électronique vers les états 3d du Mn de spin up, tandis que le second pré-pic correspond aux transitions vers les états 3d du Mn de spin down. Cette interprétation nous permet de déterminer que l'état électronique du Mn dans (Ga,Mn)N est Mn³⁺: deux pré-pics sont présents dans les spectres d'absorption du Mn³⁺ et un seul pré-pic reste dans les spectres du Mn²⁺. Ce changement des spectres a été vérifié expérimentalement sur des échantillons de (Zn,Mn²⁺)Te et (Ga,Mn²⁺)As. De plus, cette interprétation permet d'étudier la distribution du Mn dans (Ga,Mn)N: la forme des spectres d'absorption suggère que la distribution du Mn est homogène dans nos échantillons de (Ga,Mn)N.