Le but de ce projet est d’étudier l’effet des défauts cristallins sur les propriétés optoélectroniques de photodétecteurs fabriqué à partir de « silicium noir », c’est-à-dire du silicium dopé et microstructuré par impulsions laser femtoseconde, ce qui lui donne une apparence noire mate caractéristique. Des échantillons de silicium noir ont été recuits puis implantés avec des ions ayant une énergie de 300 keV (Si+), 1500 keV (Si+) ou 2000 keV (H+). Trois fluences pour chaque énergie d’implantation ont été utilisées (1E11, 1E12, ou 1E13 ions/cm2) ce qui modifie le matériau en ajoutant des défauts cristallins à des profondeurs et concentrations variées. Neuf photodétecteurs ont été réalisés à partir de ces échantillons implantés, en plus d’un détecteur-contrôle (non-implanté). La courbe de courant-tension, la sensibilité spectrale et la réponse en fréquence ont été mesurées pour chaque détecteur afin de les comparer. Les détecteurs ont une relation de courant-tension presque ohmique, mais ceux implantés à plus haute fluence montrent une meilleure rectification. Les implantations ont eu pour effet, en général, d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Par exemple, l’efficacité quantique externe passe de (0,069±0,001) % à 900 nm pour le détecteur-contrôle à (26,0±0,5) % pour le détecteur ayant reçu une fluence de 1E12 cm-2 d’ions de silicium de 1500 keV. Avec une tension appliquée de -0,50 V, la sensibilité est améliorée et certains détecteurs montrent un facteur de gain de photocourant supérieur à l’unité, ce qui implique un mécanisme de multiplication (avalanche ou photoconductivité). De même, la fréquence de coupure a été augmentée par l’implantation. Une technique purement optique a été mise à l’essai pour mesurer sans contacts la durée de vie effective des porteurs, dans le but d’observer une réduction de la durée de vie causée par les défauts. Utilisant le principe de la réflexion photo-induite résolue en fréquence, le montage n’a pas réuni toutes les conditions expérimentales nécessaires à la détection du signal. / The goal of this project is to study the effect of crystalline damage on the optoelectronic properties of photodetectors made from “black silicon” (i.e. femtosecond-laser microstructured silicon, which make it appear black). Black silicon samples were annealed then implanted with either 300 keV Si+, 1500 keV Si+ or 2000 keV H+ ions. The fluence used for the implantation was 1E11, 1E12 or 1E13 ion/cm2, resulting in nine different samples with a crystalline damage distribution of various depth and concentration. Photodetectors were fabricated on these samples, together with a control detector made from a non-implanted black silicon sample and then characterized. The I-V curves, spectral responsivities and frequency responses of the detectors were measured in short-circuit or under bias and compared. The detectors display an approximately ohmic behavior, but those implanted at a higher fluence show a slightly better current rectification. The implantation had a strong effect on the responsivity. The external quantum efficiency increased from (0.069 ± 0.001) % at 900 nm for the control detector up to (26.0 ± 0.5) % for the 1E12 cm-2, 1500 keV Si+ detector. With an applied bias of -0.50 V, the responsivity is increased and some detectors exhibit above unity photocurrent gain. Similarly, the cutoff frequencies of the implanted detectors are higher. A contactless experiment was attempted for the measurement of the effective carrier lifetime. The implantation damage was expected to reduce the carrier lifetime. The setup didn’t meet all experimental conditions required to detect the signal using frequency-domain photo-induced reflection.

Dans cette thèse, nous avons développé et étudié des miroirs absorbants saturables ultra-rapides, pour des applications au traitement de signaux optiques à très haut débit et la génération d’impulsions laser ultra-courtes à 1.55 µm. Dans une première partie, nous avons développé un miroir absorbant saturable ultra-rapide basé sur le semi-conducteur In₀.₅₃Ga₀.₄₇As soumis à une implantation ionique à température élevée de 300 °C. Des ions Fe ont été utilisés car il a été démontré que les niveaux Fe²⁺/Fe³⁺ peuvent agir comme des centres de recombinaison efficaces pour les électrons et les trous dans In₀.₅₃Ga₀.₄₇As. Nous avons étudié la durée de vie des porteurs en fonction de la dose ionique, la température et le temps de recuit. A part la durée de vie rapide, les caractéristiques de réflectivité non-linéaire, telles que l’absorption linéaire, la profondeur de modulation, les pertes non saturables ont été étudiées dans différentes conditions de recuit. Après un recuit à 600 °C pendant 15 s, un échantillon présentant une grande amplitude de modulation de 53,9 % et une durée de vie de porteurs de 2 ps a été obtenu. Dans une seconde partie, la gravure par faisceau d’ions focalisés (FIB) a été utilisée pour fabriquer une structure en biseau ultrafin sur de l’InP cristallin, pour réaliser un dispositif photonique multi-longueur d’onde à cavité verticale. Les procédures de balayage FIB et les paramètres appropriés ont été utilisés pour contrôler le re-dépôt du matériau cible et pour minimiser la rugosité de surface de la zone gravée. Le rendement de pulvérisation de la cible en InP cristallin a été déterminé en étudiant la relation entre la profondeur de gravure et la dose ionique. En appliquant les conditions de rendement optimales, nous avons obtenu une structure en biseau ultrafin dont la profondeur de gravure est précisément ajustée de 25 nm à 55 nm, avec une pente horizontale de 1:13000. La caractérisation optique de ce dispositif en biseau a confirmé le comportement multi-longueur d’onde de notre dispositif et montré que les pertes optiques induites par le procédé de gravure FIB sont négligeables. Dans une troisième partie, nous avons démontré que la réponse optique non-linéaire du graphène est augmentée de manière résonnante quand une monocouche de graphène est incluse dans une microcavité verticale comportant un miroir supérieur. Une couche mince de Si₃N₄ a été déposée selon un procédé de dépôt par PECVD spécialement développé pour agir comme couche de protection préalable avant le dépôt du miroir supérieur proprement dit, permettant ainsi de préserver les propriétés optiques du graphène. En incluant une monocouche de graphène dans une microcavité appropriée, une profondeur de modulation de 14,9 % a été obtenue pour une fluence incidente de 108 µJ/cm². Cette profondeur de modulation est beaucoup plus élevée que la valeur maximale de 2 % obtenue dans les travaux antérieurs. De plus un temps de recouvrement aussi bref que 0,7 ps a été obtenu. / In this thesis, we focus on the development of ultrafast saturable absorber mirrors for applications to ultra-high speed optical signal processing and ultrashort laser pulse generation at 1.55 μm. In the first part, we have developed an ultrafast In₀.₅₃Ga₀.₄₇As -based semiconductor saturable absorber mirror by heavy ion implantation at the elevated temperature of 300 ºC. Fe ion has been employed as the implant since it has been shown that Fe²⁺/Fe³⁺ level can act as efficient recombination centers for electrons and holes in In₀.₅₃Ga₀.₄₇As. We studied the carrier lifetime of Fe-implanted sample as a function of ion dose, temperature and annealing time. Apart from the fast carrier lifetime, the characteristics of nonlinear reflectivity for the Fe-implanted sample, such as linear absorption, modulation depth, nonsaturable loss, have are also been investigated under different annealing temperature. Under annealing at 600 ºC for 15 s, the Fe-implanted sample with a big modulation depth of 53.9 % and a fast carrier lifetime of 2 ps has been achieved. In the second part, focused ion beam milling has been applied to fabricate an ultra-thin taper structure on crystalline indium phosphide to realize a multi-wavelength vertical cavity photonic device. The appropriate FIB scanning procedures and operating parameters were used to control the target material re-deposition and to minimize the surface roughness of the milled area. The sputtering yield of crystalline indium phosphide target was determined by investigating the relationship between milling depth and ion dose. By applying the optimal experimentally obtained yield and related dose range, we have fabricated an ultra-thin taper structure whose etch depths are precisely and progressively tapered from 25 nm to 55 nm, with a horizontal slope of about 1:13000. The optical characterization of this tapered device confirms the expected multi-wavelength behavior of our device and shows that the optical losses induced by the FIB milling process are negligible. In the third part, we demonstrate that the nonlinear optical response of graphene is resonantly enhanced by incorporating monolayer graphene into a vertical microcavity with a top mirror. A thin Si₃N₄ layer was deposited by a developed PECVD process to act as a protective layer before subsequent top mirror deposition, which allowed preserving the optical properties of graphene. Combining monolayer graphene with a microcavity, a modulation depth of 14.9 % was achieved at an input energy fluence of 108 µJ/cm². This modulation depth is much higher than the value of about 2 % in other works. At the same time, an ultrafast recovery time of 0.7 ps is retained.

La grossesse est une période de majoration du risque vasculaire, participant à une morbi-mortalité maternelle et fœtale pouvant justifier des mesures de prévention primaire et secondaire. Notre travail évalue l'impact de certains déterminants et l'apport de nouveaux acteurs moléculaires impliqués dans la dysfonction vasculo-placentaire. Le but ultime étant d'optimiser les prises en charge et de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques. Nous avons étudié les complications vasculaires placentaires associées à des marqueurs biologiques connus : mutation du facteur V Leiden, mutation du gène de la prothrombine et marqueurs conventionnels du syndrome des anticorps anti-phospholipides (SAPL). Nos résultats montrent que les femmes à antécédents de fausses couches précoces répétitives et porteuses, soit du polymorphisme du facteur V, soit du polymorphisme du facteur II, soit d'un SAPL (traité par héparine et aspirine faible dose), ont un risque élevé de fausse couche tardive lors d'une nouvelle grossesse. Les femmes à antécédent de fausse couche tardive et porteuses des mêmes particularités biologiques, traitées pendant leur grossesse selon les recommandations (héparine pour l'anomalie du facteur V ou II, héparine plus aspirine faible dose pour le SAPL), ont un risque diminué de récidive de perte fœtale tardive mais demeurent, dans le groupe SAPL, fréquemment exposées aux complications tardives de la grossesse malgré la prophylaxie antithrombotique. Nous avons évalué l'apport de nouveaux marqueurs de la dysfonction vasculaire placentaire. Nous montrons que le polymorphisme Ile89Leu du gène de la phosphatase alcaline placentaire (PLAP), enzyme exprimée par les cellules du syncytiotrophoblaste -polymorphisme associé à une augmentation de l'activité PLAP-, exerce un effet protecteur sur l'échec d'implantation et la survenue d'une fausse couche primaire. Un facteur angiogénique (brevet en cours) a également été étudié (génétique, dosage plasmatique, fécondation in vitro) et nous montrons une association de ce marqueur avec les échecs d'implantation et les fausses couches idiopathiques. L'ensemble de ces travaux suggère que ces nouveaux marqueurs moléculaires pourraient contribuer au diagnostic des complications vasculaires de la grossesse et fournir des biomarqueurs d'implantation embryonnaire et/ou de développement placentaire. Ils pourraient suggérer de nouvelles cibles et stratégies thérapeutiques, répondant aux limites des traitements disponibles. / Vascular risk increases during pregnancy, contributing to maternal and foetal morbidity and mortality, and potentially justifying primary and secondary preventive measures. Our work evaluates the impact of some determinants and the contribution of new molecular actors implicated in placental vascular dysfunction. The ultimate aim is to optimize management and to develop new therapeutic strategies. We studied the placental vascular complications associated with known biological markers: the factor V Leiden or prothrombin polymorphisms, and conventional markers of the antiphospholipid antibody syndrome (APS). Women with previous recurrent abortions carrying polymorphisms of either factor V or factor II, or with APS (treated with heparin and low-dose aspirin), had an increased risk of foetal loss during subsequent pregnancies. Women with a previous foetal loss carrying these biological markers, treated according to recommendations during a new pregnancy (heparin for the polymorphisms, heparin plus low-dose aspirin for APS) had a lower risk of foetal loss, but an excess of late complications was observed in the APS group despite prophylaxis. We evaluated the contribution of new markers of placental vascular dysfunction. The placental alkaline phosphatase enzyme (PLAP) is synthesized and expressed by syncytiotrophoblastic cells. We found that the Ile89Leu polymorphism of the PLAP gene provides protection against implantation failure and primary miscarriage and induces increased PLAP activity. We also studied (genetics, plasma determinations, in vitro fertilisation) an angiogenic factor (patent application underway), which we showed to be associated with idiopathic implantation failure and miscarriage. These findings suggest that these molecular actors are potentially useful for the diagnosis of placenta-mediated pregnancy complications and may be relevant biomarkers of embryo implantation and/or placental development. They may indicate new targets for relevant therapeutic strategies, potentially overcoming the limitations of the currently available treatments.

Au cours de ces dernières années, les nanostructures à base de silicium et de germanium, enfouies dans une matrice diélectrique, ont été largement étudiées en raison de leurs applications potentielles dans la nanoélectronique et l’optoélectronique. Afin de fabriquer des dispositifs de haute performance avec des nanocristaux Si1-xGex, il est nécessaire de connaître et de contrôler leurs propriétés structurelles et électriques, ce qui est le but de ce travail. Pour cela, nous avons utilisé la co-implantation ionique de Si et de Ge avec différentes doses dans des matrices de SiO2 pour synthétiser les NCx de Si1-xGex. Concernant l’influence de la matrice sur les propriétés des NCx, nous avons également utilisé l’implantation ionique de Ge dans des films minces de SiOxNy riches en Si élaborés par PECVD. Enfin, l’effet de la présence des dopants sur les propriétés structurales et électriques des NCx de Si1-xGex a été étudié par la co-implantation des dopants avec le Si et le Ge dans le SiO2. Suite à l'implantation des éléments désirés (Si, Ge et éventuellement le dopant), la formation des NCx est induite par un recuit thermique à 1000 ou 1100°C. / Semiconductor nanostructures based on silicon and germanium have attracted enormous interest in the last years because of their potential applications in nanoelectronics and optoelectronics. In order to fabricate high performance devices with Si1-xGex nanocrystals, it is required to know and control their structural and electrical properties which is the aim of our study. For that, we used the ionic co-implantation of Si and Ge of different fluences in SiO2 matrices to synthesize the Si1-xGex NCx. Matrix effect on the properties of Si1-xGex NCx, have been also studied by the implantation of Ge in Si-rich SiOxNy thin films prepared by PECVD. Finally, the effect of the presence of dopants on the structural and electrical properties of Si1-xGex NCx has been studied by the co-implantation of dopants with Si and Ge in SiO2. The formation of NCx is induced by thermal annealing at 1000 or 1100 °C after the implantation of the desired elements (Si, Ge and possibly the dopant).

Certains éléments des internes de cuve des réacteurs à eau pressurisée (REP) en acier inoxydable austénitique 316L, présentent un endommagement prématuré par corrosion sous contrainte assistée par l’irradiation. Ce phénomène est complexe puisqu’il implique le couplage entre le matériau lui-même, l'état de contrainte, l’irradiation et l’environnement. L’irradiation neutronique couplée à un facteur environnemental, l’hydrogène, pourrait jouer un rôle dans ce phénomène. Ainsi, les travaux présentés dans ce manuscrit porte sur l’étude des effets des défauts induits par l’irradiation sur le piégeage de l’hydrogène dans un acier inoxydable austénitique 316L au cours de son oxydation en milieu primaire des REP. Grâce à des implantations ioniques permettant de reproduire le même type de défauts que ceux induits par les neutrons, les interactions hydrogène - défauts ont tout d’abord été étudié avec une approche modèle par chargement cathodique en deutérium, traceur isotopique de l’hydrogène. Cela a permis de mettre en évidence le piégeage de cet élément au niveau des défauts induits par l’implantation ionique et particulièrement des cavités. Un modèle de résolution numérique des équations de McNabb et Foster permettant de simuler la diffusion et le piégeage de l’hydrogène dans un matériau a confirmé ce résultat. Ensuite des essais d’oxydation en milieu primaire simulé des REP à 320 °C ont été réalisés afin de comparer les couches d’oxyde formées entre matériaux implantés et non implantés, ainsi que leur prise d’hydrogène. Ces essais ont permis de mettre en avant le piégeage de l’hydrogène dans l’alliage sous l’oxyde et, dans une moindre mesure, au niveau des défauts d’implantation plus en profondeur. / Some components of vessel internals in pressurized water reactor (PWR) made of stainless steel, have shown cracks induced by Irradiation-Assisted Stress Corrosion Cracking (IASCC). This complex phenomenon originates from the coupling between the material itself, a tensile stress state, environmental conditions and irradiation. This PhD thesis aims at studying the influence of hydrogen in IASCC and particularly its interactions with the defects created by neutron irradiation in a 316L austenitic stainless steel. Thanks to ion implantation, defects similar to neutron irradiation-induced defects were created. As a first step, hydrogen - defects interactions were studied with a model approach consisting in deuterium cathodic charging. Deuterium was used as an isotopic tracer for hydrogen. This technique allowed to highlight hydrogen trapping by implantation-induced defects (mostly by the cavities) in 316L stainless steel. Simulation of hydrogen diffusion and trapping in the studied materials with a numerical resolution model of McNabb and Foster’s equations confirmed the experimental results. Then, oxidation tests were performed in PWR simulated primary environment at 320 °C in order to study the effects of irradiation-induced defects on the oxidation and the hydrogen uptake of the 316L stainless steel. The major highlight of these experiments was the observation of hydrogen accumulation in the alloy beneath the oxide, due to trapping by vacancies created by oxidation process and by ion implantation. In addition, hydrogen trapping was observed deeper in the alloy and it was attributed to the cavities induced by implantation.

L'implantation d'hydrogène à forte dose est utilisée dans le procédé Smart Cut(tm) afin de transférer des couches de silicium assez épaisses (>200 nm) sur un autre substrat. En utilisant l'implantation à très basse énergie, la co-implantation d'H et d'He pour des doses totales bien plus faibles que celles requises lorsque l'hydrogène est implanté seul ouvre la voie à un transfert de couches beaucoup plus minces (< 50 nm). Cependant, les phénomènes mis en jeu ainsi que les mécanismes responsables de l'interaction, près de la surface libre du wafer, entre l'H et l'He, et les interstitiels et les lacunes qu'ils génèrent, restent à ce jour largement incompris. Dans ce travail, nous avons tout d'abord déterminé l'effet de la réduction des énergies d'implantation d'H et d'He sur la formation et le développement, lors d'un recuit, des cloques qui se forment à partir de micro-fissures en l'absence d'un raidisseur collé à la plaque implantée. Une approche basée sur la comparaison entre les caractéristiques dimensionnelles des cloques obtenues expérimentalement et la simulation par éléments finis, nous a permis de déterminer la pression et la quantité d'He et d'H2 hébergées dans ces cloques. En comparant ces résultats avec les doses d'ions implantées, nous avons pu mettre en évidence l'absence d'exo-diffusion d'He et d'H lors d'un recuit quelle que soit la distance entre la surface et les profils d'ions implantés, qui montre une forte efficacité des cloques à préserver les molécules. Nous avons pu identifier, puis expliquer, la différence en efficacité de coalescence des cloques en fonction de leurs positions en profondeur en la reliant à la variation de l'augmentation d'énergie élastique des cloques par rapport à leur surface. Nous avons ensuite étudié le rôle du dommage ionique, c'est-à-dire des défauts résultants de la co-implantation d'He et d'H, sur la formation et l'évolution thermique de la microstructure du silicium implanté. Cette étude a été menée soit en fonction de l'ordre d'implantation, soit en fonction de la position nominale en profondeur du profil d'He par rapport au profil d'H, soit en fonction du ratio entre les doses d'implantation d'He et d'H. Nous avons montré que la distribution en profondeur de l'H n'est jamais affectée par la co-implantation d'He. L'He est toujours piégé dans la zone où le dommage est maximal. Lorsque le dommage est maximal dans la zone du profil d'H, l'He y diffuse et y est piégé dans des nano-bulles et/ou des microfissures. Mais si le dommage généré dans la zone où est distribué l'He est supérieur à celui généré autour du profil d'H, l'He reste piégé en dehors du profil d'H dans des nano-bulles. L'He contenue dans des nano-bulles, quelle que soit leur distribution en profondeur, ne contribue pas à la pressurisation des cloques ce qui ralenti la coalescence des cloques. Finalement, nous avons pu proposer différents scénarii permettant de rendre compte des similarités et des différences mises en évidence tant avant recuit qu'après recuit, à basse ou plus haute température selon le type d'implantation réalisé. / The high dose hydrogen ion implantation is used in the Smart Cut (tm) process to transfer relatively thick (i.e. >200 nm) Si layers from a donor substrate onto a host material. Hydrogen and helium co-implantation at low energies for a much lower total fluence opens the way for transferring extremely thinner (i.e. <50 nm) layers. However, the phenomena and the mechanisms responsible for the interaction, close to a wafer surface, between H, He, silicon interstitials and vacancies they generate remain poorly understood. First, we studied the effect of reducing the ion energies during both H and He implantations onto the formation and the development of blisters during annealing. Blisters were formed from the micro-cracks since a stiffener was not bonded to the implanted wafer. An approach, based on the comparison between experimentally obtained size characteristics of blisters with the finite element method simulations, allowed us to deduce the pressure inside blister cavities and the fraction of the implanted fluences used to pressurize them. We showed that even when implanted at very low energy, H and He atoms do not exo-diffuse out of the implanted region during annealing. We were able to identify, and then relate the efficiency of blister coalescence to a variation in the elastic energy of blisters as a function of their depth position. In a second part, we studied the role of the damage, produced by He and H coimplantation, on the formation and the thermal evolution of the microstructure of the implanted silicon. These investigations were realized as a function of either the order of co-implantation, or the nominal position of the He profile with respect to the H one, or the ratio between He and H fluences. We showed that the H depth distribution was never affected by He co-implantation. Helium was always trapped at the depth where the damage was maximum. When the damage was highest within the H profile, He diffused and was trapped there in the nano-bubbles and /or the blister cavities. However, when the damage was higher within the He profile than within the H one, He remained trapped in the nano-bubbles outside the H profile. Helium contained in the nano-bubbles, whatever their depth distribution, did not contribute to a pressurization of blister cavities that slowed down their coalescence. Finally, we have proposed various scenarios accounting for the similarities and the differences evidenced both before and after annealing at low or higher temperatures depending on the type of realized implantation.

Ce travail porte sur l’étude des phénomènes induits par implantation d’hydrogène et/ou d’hélium dans le silicium monocristallin. Le cloquage et l’exfoliation dus à la coimplantation d’hélium et d’hydrogène ont été étudiés en fonction des paramètres d’implantation (énergie, fluence, courant, rapport H/He) et des conditions de recuit. Un comportement de type fenêtre à été observé dont le maximum de surface exfoliée dépend uniquement de la fluence. Deux mécanismes d’exfoliation liés aux régimes de fluence ont été identifiés et discutés. D’autre part, la microstructure des échantillons a été étudié par MET, et les déformations ont été mesurées par diffraction des Rayons X. Un modèle décrivant la distribution des contraintes dans le substrat implanté a été proposé. Le phénomène de delamination des substrats qui apparaît pour des conditions particulières d’implantation a également été étudié, comparé aux phénomènes de cloquage et exfoliation, et expliqué en utilisant des concepts de la mécanique de la fracture. Enfin, l’interaction élastique entre précipités d’He et d’H a été étudiée pour des profils d’implantation superposés et décalés. Dans ce dernier cas, nous avons montré que le champ de contraintes générées par les plaquettes d’hélium en surpression pouvait être utilisé comme source locale de contraintes pour contrôler la formation et la croissance de plaquettes d’hydrogène. Afin d’interpréter nos résultats expérimentaux, nous avons développé un modèle basé sur l’interaction élastique pour la nucléation des précipités dans un solide semi-infini. / The present work relates an investigation of H2 + and He+ coimplanted (001)-Si substrates. The phenomena of blistering and exfoliation were studied by SEM as a function of the implantation parameters (energy, fluence, current and H/He ration) and annealing protocol. A window behavior as function of the implanted fluence was observed and two distinct fluence dependents mechanisms of exfoliation were indentified and discussed. The microstructure of the implanted samples was studied using TEM and related to ballistic effects and stress-strain dependent interactions. The strain was measured using DRX and a model to describe the stress-strain distribution into the implanted layer is developed. A new phenomenon of delamination of thin layer from implanted Si substrates was observed to emerge from particular implantation conditions. The behavior was studied and explained using fracture mechanics concepts and contrasted to blistering/exfoliation processes. Finally, the elastic interaction between He and H plate-like precipitates giving rise to arranged nanostructure was demonstrated and studied using TEM. An elasticity based model was developed to understand the behavior. The result set the basis for further developments of nanostructures within a crystalline matrix by manipulating preferential orientations of precipitates in nanometric scale.

Les nanoparticules présentent des propriétés liées à la taille qui diffèrent fortement de celles observées dans des matériaux massifs. D'intenses recherches sur les nanoparticules sont actuellement en cours du fait de leurs grandes potentialités. Il a été montré que certaines nanoparticules métalliques sont catalytiquement actives et efficaces, comme par exemple le Palladium. L'objectif de la thèse est d'étudier la formation de nanoparticules de Pd déposées sur des surfaces pré-structurées de HOPG (Highly Ordered Pyrolytic Graphite) afin d'en optimiser la taille, la densité de surface et la stabilité. Trois étapes principales ont été menées dans nos études : la préparation des substrats, le dépôt de Pd et la caractérisation des échantillons par microscopie à effet tunnel (STM). La préparation des substrats contient elle-même deux étapes : la création de défauts par l'implantation d'agrégats Aun+ ou le bombardement de Co2, suivie d'une oxydation thermique. On obtient ainsi la formation de trous contrôlés en profondeur et en diamètre, qui serviront de sites d'ancrage pour les nanoparticules de Pd. Les mesures STM nous ont permis d'établir la relation entre la quantité de Pd déposée et la taille des nanoparticules de Pd formées à la surface du HOPG. Deux modes de croissance ont clairement été mis en évidence. Ils sont liés à la taille des défauts dans le HOPG. Les nanoparticules se présentent soit sous la forme de colliers soit sous la forme de particules isolées. Ces échantillons ont ensuite été caractérisés par des mesures de catalyse en chimie organique (Heck) ainsi qu'en catalyse gaz (oxydation du CO). / Nanoparticles exhibit size-related properties that different from those observed in bulk materials. Nanoparticle research has attracted intense interest due to its great potential applications. It has been shown that some metallic nanoparticles are catalytically active and effective, such as-Palladium.The aim of this thesis is to study the formation of Pd nanoparticles deposited on pre-structured HOPG (Highly Ordered Pyrolytic Graphite) surfaces in order to optimize their size, density and surface stability. Three major steps were taken in our studies: preparation of substrates, deposition of Pd and characterization of samples by scanning tunneling microscopy (STM). Substrats preparations itself contains two steps : the creation of defects by Aun+ clusters implantation or by bombardment of Co2 ions, followed by thermal oxidation. These steps give the formation of hales with controlled depth and diameter, which serve as anchoring sites for Pd nanoparticles.The STM measurements have allowed us to establish the relationships between the quantity of deposited Pd and the size of Pd nanoparticles formed on the HOPG surface. Two growth modes were clearly observed which are related to the defect sizes created on the HOPG surface. Nanoparticles are present either in the form of pearl necklace or in the form of isolated particles. These samples were then characterized by catalytic measurements in organic synthesis (Heck) and gas catalysis (CO oxidation).

As the efficiency potential for the industrial P-type Al-BSF silicon solar cell reaches its limit, new solar cell technologies are required to continue the pursuit of higher efficiency solar power at lower cost. It has been demonstrated in literature that among possible alternative solar cell structures, cells featuring a local BSF (LBSF) have demonstrated some of the highest efficiencies seen to date. Implementation of this technology in industry, however, has been limited due to the cost involved in implementing the photolithography procedures required. Recent advances in solar cell doping techniques, however, have identified ion implantation as a possible means of performing the patterned doping required without the need for photolithography. In addition, past studies have examined the potential for building solar cells on N-type silicon substrates, as opposed to P-type. Among other advantages, it is possible to create N-type solar cells which do not suffer from the efficiency degradation under light exposure that boron-doped P-type solar cells are subject to. Industry has not been able to capitalize on this potential for improved solar cell efficiency, in part because the fabrication of an N-type solar cell requires additional masking and doping steps compared to the P-type solar cell process. Again, however, recent advances in ion implantation for solar cells have demonstrated the possibility for bypassing these process limitations, fabricating high efficiency N-type cells without any masking steps. It is clear that there is potential for ion implantation to revolutionize solar cell manufacturing, but it is uncertain what absolute efficiency gains may be achieved by moving to such a process. In addition to development of a solar specific ion implant process, a number of new thermal processes must be developed as well. With so many parameters to optimize, it is highly beneficial to have an advanced simulation model which can describe the ion implant, thermal processes, and cell performance accurately. Toward this goal, the current study develops a process and device simulation model in the Sentaurus TCAD framework, and calibrates this model to experimentally measured cells. The study focuses on three main tasks in this regard: Task I - Implant and Anneal Model Development and Validation This study examines the literature in solar and microelectronics research to identify features of ion implant and anneal processes which are pertinent to solar cell processing. It is found that the Monte Carlo ion implant models used in IC fabrication optimization are applicable to solar cell manufacture, with adjustments made to accommodate for the fact that solar cell wafers are often pyramidally textured instead of polished. For modeling the thermal anneal processes required after ion implant, it is found that the boron and phosphorus cases need to be treated separately, with their own diffusion models. In particular, boron anneal simulation requires accurate treatment of boron-interstitial clusters (BICs), transient enhanced diffusion, and dose loss. Phosphorus anneal simulation requires treatment of vacancy and interstitial mediated diffusion, as well as dose loss and segregation. The required models are implemented in the Sentaurus AdvancedModels package, which is used in this study. The simulation is compared to both results presented in literature and physical measurements obtained on wafers implanted at the UCEP. It is found that good experimental agreement may be obtained for sheet resistance simulations of implanted wafers, as well as simulations of boron doping profile shape. The doping profiles of phosphorus as measured by the ECV method, however, contain inconsistencies with measured sheet resistance values which are not explained by the model. Task II - Device Simulation Development and Calibration This study also develops a 3D model for simulation of an N-type LBSF solar cell structure. The 3D structure is parametrized in terms of LBSF dot width and pitch, and an algorithm is used to generate an LBSF structure mesh with this parametrization. Doping profiles generated by simulations in Task I are integrated into the solar cell structure. Boundary conditions and free electrical parameters are calibrated using data from similar solar cells fabricated at the UCEP, as well as data from lifetime test wafers. This simulation uses electrical models recommended in literature for solar cell simulation. It is demonstrated that the 3D solar cell model developed for this study accurately reproduces the performance of an implanted N-type full BSF solar cell, and all parameters fall within ranges expected from theoretical calculations. The model is then used to explore the parameter space for implanted N-type local BSF solar cells, and to determine conditions for optimal solar cell performance. It is found that adding an LBSF to the otherwise unchanged baseline N-type cell structure can produce almost 1% absolute efficiency gain. An optimum LBSF dot pitch of 450um at a dot size of 100um was identified through simulation. The model also reveals that an LBSF structure can reduce the fill factor of the solar cell, but this effect can be offset by a gain in Voc. Further efficiency improvements may be realized by implementing a doping-dependent SRV model and by optimizing the implant dose and thermal anneal. Task III - Development of a Procedure for Ion Implanted N-type LBSF Cell Fabrication Finally, this study explores a method for fabrication of ion-implanted N-type LBSF solar cells which makes use of photolithographically defined nitride masks to perform local phosphorus implantation. The process utilizes implant, anneal, and metallization steps previously developed at the UCEP, as well as new implant masking steps developed in the course of this study. Although an LBSF solar cell has not been completely fabricated, the remaining steps of the process are successfully tested on implanted N-type full BSF solar cells, with efficiencies reaching 20.0%.

Nowadays ferromagnetism is often found in potential diluted magnetic semiconductor systems. However, many authors question the origin of this ferromagnetism, i.e. if the observed ferromagnetism stems from ferromagnetic precipitates rather than from carriermediated magnetic coupling of ionic impurities, as required for a diluted magnetic semiconductor. In this thesis, this question will be answered for transition-metal implanted ZnO single crystals. Magnetic secondary phases, namely metallic Fe, Co and Ni nanocrystals, are formed inside ZnO. They are - although difficult to detect by common approaches of structural analysis - responsible for the observed ferromagnetism. Particularly Co and Ni nanocrystals are crystallographically oriented with respect to the ZnO matrix. Their structure phase transformation and corresponding evolution of magnetic properties upon annealing have been established. Finally, an approach, pre-annealing ZnO crystals at high temperature before implantation, has been demonstrated to sufficiently suppress the formation of metallic secondary phases.