Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur dont la filière est en plein essor. Ses propriétés ont permis d’en faire le deuxième matériau semi-conducteur le plus utilisé pour les composants optiques et électroniques, après le silicium. Cependant, comparativement à ces domaines, peu d’études ont été menées quant à la réalisation de microsystèmes électromécaniques (MEMS) malgré des propriétés mécaniques favorables. Dans ce contexte, ces travaux présentent le développement de premiers accéléromètres MEMS résonants en filière GaN. Ces derniers reposent sur l’utilisation de poutres vibrantes possédant une forte contrainte mécanique en tension, avec un actionnement et une détection électriques intégrés. La présence de contrainte modifie significativement les performances de l’accéléromètre. Une étude théorique analytique de l’impact de la contrainte démontre ses bénéfices, notamment en termes de facteur de qualité et d’étendue de mesure. Les étapes du procédé de fabrication des composants ont été développées. Enfin, la caractérisation des accéléromètres démontre de très bonnes performances par rapport à l’état de l’art des autres filières technologiques et en accord avec les modèles préalablement établis. / The gallium nitride (GaN) is a semiconductor material for which the sector is rapidly expanding. Thanks to its properties, it have become the second most used semiconductor material for optic and electronic components, after the silicon. However, relatively to those sectors, few studies have been performed about the production of microelectromechanical systems (MEMS) despite the favorable mechanical properties. In this frame, this work presents the development of first resonant MEMS accelerometer in GaN. They are based on the use of vibrating beams which have a high tensile stress, with an integrated electrical actuation and detection. The existence of stress results in a significant modification of the performances of the accelerometer. An analytical theoretical study of the impact of the stress demonstrates its benefits, particularly for the quality factor and the measuring range. The process flow for the fabrication of the component has been developed. Finally, the characterization of the accelerometers shows very good performances compared to the state of the art of the other technologies and in agreement with the models previously established.

L’arséniure de gallium épitaxié à basse température (GaAs-BT) présente des propriétés d’intérêt pour l’opto-électronique. Ses propriétés sont liées à la présence de défauts ponctuels à l’origine des temps de vie compatibles avec son utilisation en tant que couche active dans des photo-commutateurs. Pour mieux connaître l’origine physique du temps de vie afin de l’optimiser, ce travail de thèse a consisté à mener une étude du matériau en combinant des analyses macroscopiques avec une caractérisation microscopique. Il comporte cinq chapitres, le premier présente un état des connaissances sur le GaAs-BT, le second décrit les techniques utilisées lors de de cette étude. Le troisième chapitre s’intéresse à la composition chimique de la couche de GaAs-BT et à sa caractérisation structurale par diffractométrie des rayons X. Il révèle la croissance de composés quaternaires dilués en P et en In et suggère la présence d’antisites d’éléments V. La présence de phosphore pose la question de la nature chimique de ces antisites. Le chapitre suivant vise à identifier les défauts ponctuels incorporés dans le matériau grâce à une étude STM à basse température. La majorité des défauts se distingue des antisites observés dans la littérature par un état de charge négatif et un aspect changeant au passage de la pointe, une analyse des conditions d’imagerie en fonction de la température confrontée à des calculs ab-initio indique la formation préférentielle d’antisites d’arsenic par rapport à celle d’antisites de phosphore. Le dernier chapitre est consacré à la caractérisation du matériau après recuit. Il démontre que les antisites ne précipitent pas pour une température de croissance de 325°C. / Low temperature grown gallium arsenide (LTG-GaAs) has shown interesting properties for optoelectronics. These properties are related to point defects within the material wich permits carrier lifetimes compatible with its use as an active layers in photoswitches. In order to improve the current knowledge on the physical origin of carrier lifetime to optimise it, this thesis work consisted in leading a thorough study of the material by combining macroscopic analysis with microscopic characterization. It consists of five chapters, the first one presents a state of the art on LTG-GaAs while the second describes the different techniques used during this study. The third chapter focuses on the chemical composition of the LTG-layer and on its structural characterization through X-ray diffraction. It reveals the growth of diluted quaternary compound containing P and In and suggests the presence of element V antisites. Thus, the presence of phosphorus require to determin the chemical nature of these antisites. The next chapter aims to identify the incorporated point defects within the material through low temperature STM study. The majority of defects differs from observed antisites in the litterature with a negative charge state and a changing appearance while scanning, analysis of imaging conditions versus the temperature confronted with ab-initio calculation shows the preferential formation of arsenic antisites compared to the formation of phosphorus antisites. The last chapter is dedicated to characterizing the material after annealing. It demonstrates that antisites do not cluster for a growth temperature of 325°C.

Continually increasing atmospheric concentrations of radiatively important chemical species such as CO2, CH4, N2O, tropospheric O3, and certain halocarbons most likely will cause future climate changes, which could in turn impact chemical reaction rates and thus lifetimes of many important chemical species. Complicated interactions between climate dynamics and atmospheric chemistry strongly suggest that a fully interactive, comprehensive chemistry-climate modeling system is needed to study the issue. This article reviews recent work in the new and challenging field of interactive chemistry-climate modeling, describing major efforts in model development and summarizing in detail applications of and results from these models. / Includes bibliographical references (p. 12-16). / Abstract in HTML and technical report in PDF available on the Massachusetts Institute of Technology Joint Program on the Science and Policy of Global Change website (http://mit.edu/globalchange/www/)

Que ce soit pour la fabrication de transistors ultimes fonctionnant à haute fréquence et faible consommation d’énergie ou pour celle de composants quantiques exploitant le transport balistique d’électrons, l’élaboration de nanostructures de semiconducteurs III-V à faible masse effective électronique est aujourd’hui un enjeu majeur. Différentes approches existent pour atteindre des dimensions caractéristiques largement sub-100nm. Les nanostructures peuvent être définies par une approche descendante en combinant gravure sèche anisotrope et amincissement chimique digital d’une couche semiconductrice ou par une approche ascendante en élaborant directement les nanostructures désirées. Dans le deuxième cas, la croissance de nanofils catalysée par une bille métallique nanométrique a connu un engouement important ces quinze dernières années. La fabrication de composants utilisant ce procédé reste cependant très compliquée et nécessite souvent le report des nanofils sur un substrat hôte rendant extrêmement difficile la réalisation de circuits complexes. L’approche par croissance sélective dans les ouvertures d’un masque diélectrique offre au contraire des perspectives plus intéressantes. Si l’épitaxie à base d’organométalliques en phase vapeur a démontré son efficacité pour ce type de croissance, l’épitaxie par jets moléculaires peut permettre d’améliorer encore la pureté des nanostructures. C’est dans ce contexte que nous avons étudié les propriétés électriques de nanostructures III-V épitaxiées sélectivement sur substrat InP. L’utilisation d’un flux d’hydrogène atomique pendant la croissance permet d’obtenir une bonne sélectivité de croissance. Son impact sur les propriétés optiques et électriques du semiconducteur a d’abord été étudié puis l’utilisation de procédés de nanofabrication a permis l’élaboration et la caractérisation électrique de nanostructures. Des composants en InGaAs de type TLM, multi-branches ou MOSFET ont démontré la qualité des matériaux épitaxiés puisque des mobilités effectives à l’état de l’art pour ce type de matériau ont été obtenues. Grâce à l’utilisation de croissances sélectives multiples, nous avons pu élaborer des hétérostructures originales telles que des nanofils planaires à cœur InGaAs et coquille InP ou des hétérojonctions InGaAs/GaSb radiales ou axiales. Pour ces dernières, l’obtention de caractéristiques courant-tension présentant une résistance différentielle négative montre une bonne qualité d’interface, offrant des perspectives intéressantes pour la fabrication de nano-hétérojonctions tunnel. / The fabrication of nanoscale devices such as high frequency and low energy consumption transistors or quantum devices exploiting ballistic electrons transport requires the development of nanostructures with low effective mass III-V materials. Several technologies exist to reach typical dimensions well below the 100-nm range. The nanostructures can be defined by a top-down approach through a combination of anisotropic dry etching and digital chemical thinning of a semiconductor layer, or by a bottom-up approach with a direct elaboration of the nanostructures. In the second case, metal-catalyst-assisted nanowire growth has been widespread since the last fifteen years. However, the fabrication of devices based on this process is still tricky and often requires the transfer of the nanowires to a host substrate for device processing, preventing any complex circuit production. The approach by selective area growth inside dielectric mask openings exhibits a better scalability. If the organometallic vapor phase epitaxy (MOVPE) has proved its efficiency for this type of growth, molecular beam epitaxy (MBE) may further improve the nanostructure purity. Within this context, we study the electrical properties of selectively grown III-V materials on InP substrate by MBE. We demonstrate that the use of an atomic hydrogen flux during the growth ensures a good selectivity with respect to the dielectric mask and has a positive impact on the optical and electrical properties of the grown semiconductor. The electrical characterization of InGaAs nanostructures is performed thanks to the development of dedicated process such as TLM, branched nanowires or MOSFET devices. It reveals good transport properties with the state-of-the-art effective mobility for this kind of alloy. We then show that selective area epitaxy is also a valuable tool to develop original heterostructures such as in-plane InGaAs/InP core-shell nanowires with raised contacts and radial or axial InGaAs/GaSb heterojunctions. For these latter, the negative differential resistances observed on the current-voltage characteristics demonstrate a good interface quality, offering interesting possibilities for tunnel nano-heterojunction development.

Le développement de nanomatériaux semi-conducteurs s'accompagne d'une complexification de leur structure cristalline et de leur composition chimique. Les interfaces y constituent un élément essentiel, qu'il est nécessaire d'étudier. Pour cela, il faut disposer d'outils de caractérisation adaptés, qui sont décrits dans le premier chapitre de ce mémoire. Ces instruments ont tout d'abord servi à explorer des nano-fils semi-conducteurs à hétéro-structures (chapitre 2), dans lesquels des inclusions poly-types présentent un piégeage du niveau de Fermi en surface, conduisant ainsi à la formation de jonctions surfaciques i-p. Dans un second temps, des nano-cristaux à hétéro-structures ont été analysés (chapitre 3). Les mesures ont révélé une transformation de phase des nano-cristaux sous excitation lumineuse, qui a pour origine une différence de structure cristalline des deux matériaux de base. En parallèle, des études ont été menées sur de nouveaux matériaux à deux dimensions constitués de pores : le Silicène (chapitre 4), l'équivalent du graphène à base d'atomes de silicium uniquement, et des super-réseaux de nano-cristaux semi-conducteurs fusionnés, possédant une structure poreuse (chapitre 5). Dans les deux cas, après avoir étudié la structure cristalline des matériaux, des mesures de transport ont été effectuées grâce à la technique de mesure par microscopie à effet tunnel à pointe multiple. De par la faible résistivité mesurée, ces matériaux servent de système modèle unique pour comprendre le transport dans des réseaux poreux à deux dimensions. / The development of semi-conductor nanomaterials takes along with an increase of the complexity regarding their crystalline structure and chemical composition. Interfaces are essential in accounting for the physical properties of the materials and require a thorough investigation. It relies on the use of specific instruments, that are described in the first section of this work. These instruments are then used to explore hetero-structure nanowires, that contain poly-types segments with different Fermi level pinnings at the surface, leading to $i-p$ junctions (section 2). Hetero-structure nanocrystals have also been characterized (section 3). Their study has revealed a phase transformation under light irradiation, that is attributed to the different crystalline structures between their core and their shell. Along with these investigations, novel two-dimensional semi-conductor crystals have been explored due to the exotic electronic structures that they could exhibit. Silicene, the Graphene analog, and porous networks of semi-conductor nanocrystals have been studied (section 4 and 5 respectively). The transport properties have been characterized with multiple probes Scanning Tunneling Microscopy and have revealed the uniqueness of these systems to improve our understanding of the electrical transport in two-dimensional crystals.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l’étude des propriétés électriques et des mécanismes physiques d’un dispositif à base du matériau hybride : PTEDOT-AuNPs et de son application dans le domaine des mémoires résistives non-volatiles. Nous décrivons d’abord la synthèse de ce matériau hybride obtenu ainsi que sa caractérisation électrique et physique. La fabrication du dispositif est ensuite réalisée en combinant les techniques de la photolithographie et de l’électropolymérisation. Nous mettons en évidence par la suite, le phénomène de l’électroforming du dispositif qui s’accompagne d’un changement de sa résistance pendant la caractérisation électrique. Nous discutons la nature physique de ce phénomène lié à une augmentation locale de la température et à la création d’un chemin conducteur. Après cette étape, le dispositif présente un effet mémoire et d’un effet de résistance négative différentielle. Les résultats obtenus permettent de démontrer les potentialités d’application dans les applications en mémoires résistives non volatiles. Nous avons également étudié les mécanismes physiques de fonctionnement de notre dispositif. La formation du chemin conducteur entre les deux électrodes et l’effet de piégeage et dépiégeage sont les principaux mécanismes responsables de l’électroforming et de l’effet mémoire. Enfin, nous nous sommes intéressés à la réalisation de dispositifs multi terminaux (6 électrodes) "NanoCell" et avons démontré que notre dispositif pouvait réaliser des fonctions logiques reconfigurables. Nous démontrons en effet de réaliser deux portes logiques à l’aide du "NanoCell" par simple choix du niveau du courant seuil externe. / The work presented in this thesis deals with the study of the electrical properties and physical mechanism of a device based on the functional hybrid material: PTEDOT-AuNPs and its application in the field of non-volatile resistive memory. Firstly, we demonstrate the synthesis of this hybrid material as well as its electrical and physical characterization. The fabrication of nanodevice is then carried out by combining the photolithography and electropolymerization. During the electrical characterization, the forming process which is accompanied by a resistive switching of the device is demonstrated in the following. We discuss the physical nature of this phenomenon, and believed that it is related to a local change in temperature and the creation of a metal conducting paths. After that, the device exhibits two electrical behaviors: a negative differential resistance effect and a memory effect. The results obtained in the reliability test make it possible to demonstrate promising applications in nonvolatile resistive memories. In the study of the physical mechanisms of resistive switching between two distinct conductance states of our device, the formation of the conductive path between the two electrodes and the effect of trapping and trapping are the main mechanisms responsible for the forming process and the memory effect. Finally, we were interested in the realization of the "NanoCell" logic gate for molecular computing which based on our multi-terminal devices (6 electrodes). We proved that it is possible to realize two basic logic gates by choosing the level of the external threshold current after the configuration of "Nanocell".

La nanostructuration de matériaux semi-conducteurs permet de modifier le comportement des porteurs de charge. Ces modifications sont causées par les effets de confinement quantique. Dans cette thèse, nous étudions par des approches théoriques (numériques et analytiques) les propriétés de réseaux cohérents de nanocristaux semi-conducteurs. Ces réseaux sont expérimentalement obtenus par des méthodes ascendantes (bottom-up) d’auto-assemblage orienté. Nous montrons que leurs structures de bandes électroniques peuvent être modélisées par un simple Hamiltonien effectif dont les énergies propres sont analytiques. En outre, nous proposons une méthode descendante (top-down) de nano-fabrication consistant en la gravure de puits quantiques semi-conducteurs par des méthodes de lithographie. Cette approche permet de reproduire artificiellement des réseaux bidimensionnels à fort intérêt et comportant des fermions de Dirac tels que le nid d’abeilles, le kagome et le Lieb. Nous étudions ensuite l’effet d’un champ magnétique statique sur un nanocristal isolé, puis sur un réseau de nanocristaux en nid d’abeilles dans lequel nous prédisons l’apparition de grands moments magnétiques. Enfin, nous montrons que dans les réseaux carrés PbSe, un désordre original portant sur les signes des termes de couplage entre nanocristaux apparaît. Nous montrons que ce désordre est réductible par des transformations de jauge, et nous quantifions le désordre réel (résiduel) ressenti par les électrons. / Semiconductor nanostructuration methods are a new route leading to the tuning of charge carriers behavior. This tuning is a direct consequence of the quantum confinement effect. In this thesis, we study using numerical and analytical approaches the properties of coherent superlattices of semiconductor nanocrystals. These superlattices are synthesized by bottom-up methods of oriented self-assembly. We show that their electronic band structures can be modeled by a simple effective Hamiltonian with analytical eigenvalues. In addition, we propose a top-down method where a periodic arrangement of holes is etched in semiconductor quantum wells using lithography. We show that it is possible to artificially reproduce two-dimensional lattices of high interest such as the honeycomb, the kagome and the Lieb lattices. Most of these lattices host Dirac fermions that we also recover in the superlattices. In another chapter, we study the effect of a static magnetic field on isolated nanocrystals and on honeycomb superlattices. We predict the presence of large magnetic moments in those systems. Finally, we show that, in PbSe square superlattices, a bond-sign disorder should arise. We find that this disorder is reducible by gauge transformations and we quantify the true (residual) disorder felt by electrons.

by W. Roth. / "November 26, 1947." "Part of a thesis with the same title." / Bibliographical footnotes. / Army Signal Corps Contract No. W-26-039 sc-32037.

Tras el redescubrimiento del viejo argumento del agujero de Einstein (1913), por parte de Earman y Norton, al parecer se ha alcanzado un consenso estable en el debate entre sustancialistas y relacionistas sobre el estatus ontológico del espacio-tiempo. A pesar de las intenciones iniciales de Einstein de edificar el espacio-tiempo de la Relatividad General (RG) como una entidad relacional à la la Leibniz-Mach (Caps. 3-4), la mayoría de los filósofos de la ciencia se sienten cómodos con la interpretación sustancialista sofisticada del espacio-tiempo (Mundy: 1992, Brighouse:1994, Di Salle:1994, Hoefer:1996, Bartels: 1996, Pooley: 2002). Es más, la mayoría de filósofos comparten la impresión de que aunque sean posibles interpretaciones relacionales de ciertos tipos de modelos altamente restringidos de GR, en el fondo, éstos requieren estructuras espaciotemporales sustancialistas.El Sustancialismo Sofisticado (SS) es una doctrina que sostiene que, aunque los puntos de la variedad espaciotemporal no tienen una existencia robusta ya que carecen de identidad primitiva, es natural ser realista sobre la existencia del espacio-tiempo como una entidad independiente en toda regla. Dado que la variedad carece de las estructuras espaciotemporales básicas -como geometría e inercia- SS argumenta que debería contarse a la dupla variedad+métrica (M, g) como el espacio-tiempo físico independiente.El tensor métrico de GR codifica la estructura métrica e inercial así que, en cierto sentido, éste cumple el papel explicativo que desempeñaba el espacio newtoniano en la dinámica clásica. Es decir, según la interpretación SS del espacio-tiempo uno debería juzgar al campo métrico de GR como la versión moderna de un espacio-tiempo real ya que éste tiene las propiedades -o contiene las estructuras- que tenía el espacio de la dinámica newtoniana.En esta disertación intento desmantelar la impresión generalizada según la cuál una interpretación relacional de RG es inviable. Para hacerlo, empiezo por subrayar que cuando una vuelve al debate original (Leibniz-Newton) se ve que el sustancialismo resulta prima facie victorioso ya que Newton pudo formular satisfactoriamente la dinámica (Cap. 2). Sin embargo, para dar al relacionismo una oportunidad equitativa formulo las siguientes preguntas hipotéticas: ¿Qué tal si Leibniz - o algún leibniziano- hubiese tenido una teoría relacional buena? ¿Qué papel cumpliría la geometría en este tipo de teoría? ¿Sería natural tomar a la geometría y a la inercia como propiedades intrínsecas de un espacio -o espaciotiempo- sustancialista? ¿Seguiría siendo natural juzgar el campo métrico de GR como una entidad sustancialista a pesar de que éste codifica propiedades materiales importantes tales como energía-momento?Al destacar este tipo de preguntas intento arrojar dudas importantes sobre la interpretación sustancialista (SS) del campo métrico. Quizá ya empiece a ser visto como un campo material. Finalmente, para fortalecer la interpretación relacional que propongo e intentar remover cualquier remanente de tensión interpretativa, discuto cuidadosamente la relevancia de dos asuntos importantes: i) Las variables dinámicas están usualmente asociadas a objetos materiales en las teorías físicas. El campo métrico de RG es un objeto dinámico, así que sostengo que debería ser juzgado como un campo físico de materia (Cap. 5).ii) Barbour y Bertotti (BB2, 1982) han provisto una formulación alternativa de la dinámica clásica. Ésta es según Pooley y Brown (2001) una interpretación genuinamente relacional. Tanto la estructura geométrica como la estructura inercial reciben por tanto -contra SS- un tratamiento relacional (Cap. 6).La conclusión general debe ser que el espacio-tiempo es un campo material y no una entidad sustancialista independiente, como usualmente es entendido. / In the aftermath of the rediscovery of Einstein's hole argument by Earman and Norton (1987), we hear that the ontological relational/substantival debate over the status of spacetime seems to have reached stable grounds. Despite Einstein's early intention to cast GR's spacetime as a relational entity à la Leibniz-Mach (chaps.3-4), most philosophers of science feel comfortable with the now standard sophisticated substantivalist (SS) account of spacetime. Furthermore, most philosophers share the impression that although relational accounts of certain highly restricted models of GR are viable, at a deep down level, they require substantival spacetime structures.SS claims that although manifold spacetime points do not enjoy the sort of robust existence provided by primitive identity, it is still natural to be realistic about the existence of spacetime as an independent entity in its own right. It is argued that since the bare manifold lacks the basic spacetime structures -such as geometry and inertia- one should count as an independent spacetime the couple manifold +metric (M, g). The metric tensor field of GR encodes inertial and metrical structure so, in a way, it plays the explanatory role that Newtonian absolute space played in classical dynamics. In a nutshell, according to the SS account of spacetime, one should view the metric field of GR as the modern version of a realistically constructed spacetime since it has the properties -or contains the structures- that Newtonian space had. I will try to dismantle the widespread impression that a relational account of full GR is implausible. To do so, I will start by highlighting that when turning back to the original Leibniz-Newton dispute one sees that substantivalism turns out prima facie triumphant since Newton was able to successfully formulate dynamics (Chap 2). However, to give relationalism a fair chance, one can also put forward the following hypothetical questions: What if Leibniz -or some leibnizian- had had a good relational theory? What role would geometry play in this type of theory? Would it be natural to view geometry and inertia as intrinsic properties of substantival space -if not spacetime? Would it still seem natural to interpret the metric field of GR along substantival lines regardless of the fact that it also encodes important material properties such as energy-momentum?After bringing these questions out into the light I will cast some important doubts on the substantival (SS) interpretation of the metric field. Perhaps the metric turns out to be viewed as a relational matter field. Finally, to strengthen the relational account of spacetime I expect to remove the possible remaining interpretative tension by carefully discussing the relevance of two important facts:i) Dynamical variables are usually linked to material objects in physical theories. The metric field of GR is a dynamical object so, I claim, it should be viewed as a matter field (Chap 5).ii) Barbour and Bertotti (BB2, 1982) have provided and alternative formulation of classical dynamics. They provide a "genuinely relational interpretation of dynamics" (Pooley & Brown 2001). Geometry and inertia become -contra SS- relational structures in BB2 (Chap 6).The general conclusion should be that spacetime is a relational matter field and not an independent substantival entity, as it is usually understood.

centenares de keV hasta unos pocos MeV), presenta un extraordinario potencial para comprender los procesos más extremos que tienen lugar en el Universo, como las explosiones estelares o los aceleradores de partículas. No obstante, a pesar de los enormes esfuerzos realizados por los observatorios de rayos gamma (en el pasado y en la actualidad), se requiere una mejora en la sensibilidad instrumental para aprovechar el enorme potencial científico contenido en este rango energético. Durante las dos últimas décadas se han buscado formas de mejorar la sensibilidad de los instrumentos, incrementando la eficiencia de los detectores y reduciendo el ruido instrumental (mediante sofisticados mecanismos de blindaje y técnicas de análisis). Con este objetivo, un enorme esfuerzo en innovación instrumental (construcción de prototipos y estudios numéricos) está siendo realizado por una comunidad creciente de científicos que se enfrentan al reto de preparar la próxima generación de telescopios de rayos gamma. En particular, son especialmente notables los avances logrados en los últimos años en el campo de la focalización de rayos gamma mediante lentes de difracción. Conceptualmente, una lente de rayos gamma reduciría drásticamente el ruido instrumental ya que concentra los fotones en un detector de pequeñas dimensiones (el ruido es proporcional al volumen del instrumento). Una lente de difracción, para observaciones en astrofísica nuclear, no es sólo un concepto teórico, sino una realidad, gracias principalmente al proyecto CLAIRE. Asimismo, el desarrollo de la tecnología para la focalización de rayos gamma ha incentivado el desarrollo de las diferentes tecnologías de detección. Un detector apropiado para el plano focal de una lente gamma, debe disponer de capacidad de imagen, proporcionar espectroscopia de alta resolución y medir la polarización de los fotones incidentes. El trabajo presentado en esta tesis comprende tanto la óptica de focalización como el detector del plano focal. Con respecto a la óptica, se presenta el ensayo realizado con el prototipo CLAIRE, mediante el cual se ha confirmado los principios de una lente de difracción. En cuanto al plano focal, esta investigación se ha desarrollado principalmente en el marco de estudio de las misiones espaciales GRI (2007) y DUAL (2010), propuestas a la ESA dentro del programa “Cosmic Vision 2015-2025”. En el marco de la misión GRI, se presenta una configuración para el detector del plano focal basado en detectores pixelados de Cd(Zn)Te, al tiempo que se investiga y desarrolla un primer prototipo de detector pixelado de CdTe. Cabe destacar que el sistema de detección propuesto fue registrado con éxito mediante una patente europea, y está siendo desarrollado para su aplicación en medicina nuclear. En relación a la propuesta DUAL, se presenta un estudio del ruido instrumental obtenido mediante simulaciones numéricas con el fin de precisar la sensibilidad del instrumento (basado en detectores de Germanio) propuesto en esta misión. Más allá de las tecnología consideradas en GRI y DUAL, una amplia variedad de detectores pueden ser explorados, bien para el plano focal de una lente de difracción o bien como sistemas de detección por sí mismos. En este sentido, se ha ampliado el espectro de tecnologías y se ha incluido un estudio sobre detectores basados en xenón líquido. En esta tesis se ha realizado un trabajo de investigación y desarrollo con tecnologías vanguardistas propuestas para la próxima generación de telescopios de rayos gamma. Esta instrumentación debe enfrentarse al reto de alcanzar la sensibilidad requerida para dar respuesta a las cuestiones aun no resultas por la astrofísica de rayos gamma en el rango de energía de las transiciones nucleares. / few MeV) has an extraordinary potential for understanding the evolving and violent Universe. In spite of the strong efforts accomplished by past and current instruments, in order to perform observations in this energy range, an improvement in sensitivity over present technologies is needed to take full advantage of the scientific potential contained in this energy range. In order to achieve higher sensitivities, γ-ray astronomy has been looking over the last decades for new ways to increase the efficiency of its instruments while reducing the background noise. With the objective of reducing or avoiding as much background as possible (through shielding mechanisms and data analysis techniques), a strong effort in innovation and design (build-up of prototypes and numerical simulations studies) is being conducted by a community facing the challenge of preparing the next generation of γ-ray telescopes. In particular, the progress achieved during the last decade on focusing optics based on Laue lenses is especially remarkable. Conceptually, a focusing telescope will reduce drastically the background noise by concentrating γ-rays onto a small size detector. Focusing γ-rays with a Laue lens is not just a theoretical concept, but a reality, mainly thanks to the development of a first prototype of Laue lens for nuclear astrophysics accomplished as part of the CLAIRE project. Moreover, the development of focusing optics during these years has also encouraged the development of new detector technologies. The focal plane detector of a focusing telescope should provide imaging capabilities, perform high-resolution spectroscopy and measure the polarization of the incident photons in order to achieve the ambitious scientific goals. The research presented in this thesis covers both main areas of a γ-rays telescope: focusing optics and focal plane detector. As far as the optics is concerned, a test of the lens CLAIRE was performed in order to confirm the principles of a Laue diffraction lens. Concerning the focal plane detector, theoretical and experimental studies with new detector technologies have been carried out. Our main research has evolved in the framework of two mission concept studies -GRI (2007) and DUAL (2010)- submitted to the ESA Calls for a Medium-size mission opportunity within the Cosmic Vision 2015-2025 program. As far as the GRI mission is concerned, a focal plane detector configuration based on Cd(Zn)Te pixelated detectors is proposed, whilst development and testing of a detector prototype is accomplished. It is noteworthy that the detector configuration was successfully registered under a European Patent and is being considered for applications in the field of nuclear medicine. Regarding the DUAL mission, simulations of the expected space radiation environment and the resulting detector activation were carried out in order to estimate the performances of the all-sky Compton telescope of DUAL (based on Germanium-strip detectors). The results show that DUAL could achieve, after two years of operation, a continuum sensitivity one order of magnitude better than any past and current observatory in the MeV energy range and up to a factor 30 of improvement with its Laue lens. Beyond the detector technology proposed for GRI and DUAL, a wide variety of technologies could be explored for the focal plane of a γ-ray lens mission as well as for a stand-alone detector. In this thesis a focal plane detector based on liquid xenon is also considered. This work faces the challenges of the next generation of γ-ray telescopes, where high performance γ-ray detectors are necessary to achieve the required sensitivity in order to answer several hot scientific topics of Gamma-ray astrophysics in the energy range of nuclear transitions.