Les matériaux à bande interdite électromagnétique (BIE) plus connus sous le nom de cristaux photoniques en optique, sont des structures périodiques possédant des propriétés intéressantes que l'on ne retrouve pas dans les matériaux conventionnels. Ces propriétés dépendent des paramètres géométriques de la structure, et des paramètres constitutifs de ses éléments ( E et μ). Ainsi, ils peuvent présenter un indice de réfraction négatif, posséder des bandes interdites ou encore être fortement anisotropes. Pour les dispositifs hyperfréquences, l'exploitation de ces propriétés s'avère très pertinente. Or, ces structures sont en général passives, et l'une des considérations actuelles vise à les rendre reconfigurables, afin d'étendre encore leur champ d'applications. L'originalité de ce travail consiste à utiliser les plasmas comme élément contrôlable. En effet, leurs paramètres physiques (E , diamètre etc.) varient en fonction des conditions de décharge. Pour l'étude de ce principe de reconfigurabilité, un dispositif de diviseur de puissance commutable à base d'un BIE a été défini. Différents plasmas de grand volume à des pressions allant de 40 à 760 torrs ont été étudiés puis intégrés dans le dispositif. Des mesures microondes ont alors mis en évidence le contrôle de la propagation de l'onde par le plasma. Cette thèse, à l'intersection de deux disciplines, plasma et microondes, a permis de valider le concept d'utilisation de plasmas localisés pour rendre reconfigurable certaines propriétés des structures BIE. Suite à cette validation, d'autres travaux sont d'ores et déjà entamés, afin d'améliorer les performances et d'explorer d'autres idées liant notamment métamatériaux et plasmas.

Le thème principal de cette thèse est l'étude des propriétés d'une décharge capacitive Radio Fréquence à pression atmosphérique dans l'argon. Dans ces conditions où le produit pression•distance est de l'ordre de 150 Torr.cm, la décharge a tendance à former une multitude de filaments localement chauds. En pulsant le générateur RF avec une période et une durée adéquates, il est possible de contrôler la transition du mode filament au mode homogène afin d'obtenir un plasma diffus et stable.<br />L'espace inter-électrode de 2 mm est ouvert sur l'air ambiant et alimenté en argon par une centaine d'orifices submillimétriques répartis régulièrement sur l'électrode supérieure. Cette configuration permet d'effectuer un traitement de la surface de films polymères en ligne, sans éteindre la décharge entre les échantillons successifs. Une augmentation importante et durable du caractère hydrophile est rapidement obtenue sans risque d'endommager le polymère.<br />Le diagnostic du plasma est effectué par spectroscopie d'émission et par mesures électriques. L'élargissement de Stark de la raie d'hydrogène Balmer β permet d'estimer la densité électronique dans les filaments à 10^15/cm3. Pour le mode homogène, une approximation basée sur l'équilibre entre la puissance RF transmise et dissipée par le plasma conduit à une densité de 5×10^11/cm3. Les rapports d'intensité des lignes spectrales d'argon neutre et d'ion Ar+ sont introduits dans l'équation de Saha pour calculer la température électronique. Dans le mode homogène la température estimée à 1.3 eV est légèrement plus faible que dans les filaments à 1.7 eV.<br />Un modèle fluide auto-cohérent unidimensionnel est également développé pour étudier plus précisément le comportement de la décharge dans son mode homogène. L'équation de Poisson pour le champs électrique est couplée aux premiers moments de l'équation de Boltzmann (équation de continuité, équation de dérive-diffusion et équation d'énergie). Les coefficients de transport et de réaction sont obtenus à partir de l'énergie moyenne des électrons.<br />Le modèle est appliqué à une cinétique chimique réduite de l'argon contenant les principaux processus d'ionisation et d'excitation. Les résultats de simulations sont en bon accord avec les mesures expérimentales. La décharge RF atmosphérique est comparable aux décharges RF classiques basse pression dans lesquelles l'ionisation a majoritairement lieu dans les gaines oscillantes, là où les électrons ont le plus d'énergie.

Nous avons étudié par spectroscopie optique les propriétés électroniques de boîtes quantiques (BQs) de GaN/AlN crûes en épitaxie par jets moléculaires selon la direction non-polaire [11-20] (axe a). Dans cette orientation on attend une forte réduction des effets du champ électrique interne existant dans les hétérostructures d'axe [0001] (axe c), ce que nous avons vérifié expérimentalement par des expériences de photoluminescence (PL) résolue et intégrée en temps d'un ensemble de boîtes.<br />La réalisation d'un montage de microPL optimisé pour l'UV nous a permis d'isoler les premiers spectres de BQs uniques de GaN plan a. Des effets de charges locales responsables de l'élargissement des raies de PL (diffusion spectrale) ont pu être mises en évidence et partiellement contrôlés par l'application d'un champ électrique vertical.<br />La dépendance en température des raies de BQs uniques nous a permis d'étudier le couplage de l'exciton confiné avec les phonons acoustiques. La modélisation de ce mécanisme ainsi que les valeurs des temps de déclin indiquent que la localisation latérale de l'exciton est plus forte que celle imposée par la boîte.

This PhD thesis is devoted to study electro-optic properties of Gemanium/Silicon-Germanium (Ge/SiGe) multiple quantum wells (MQWs) for light modulation, detection, and emission on Si platform. It reports the first development of high speed, low energy Ge/SiGe electro-absorption modulator in a waveguide configuration based on the quantum-confined Stark effect (QCSE), demonstrates the first Ge/SiGe photodiode with high speed performance compatible with 40 Gb/s data transmission, and realizes the first Ge/SiGe light emitting diode based on Ge direct gap transition at room temperature. Extensive DC and RF measurements were performed on each tested prototype, which was realized using the same epitaxial growth and fabrication process. Simple theoretical models were employed to describe experimental properties of the Ge/SiGe MQWs. The studies show that Ge/SiGe MQWs could potentially be employed as a new photonics platform for the development of a high speed optical link fully compatible with silicon technology.

This thesis covers different problems that arise due to crystal and pseudospin anisotropy present in 3d and 5d transition metal oxides. We demonstrate that the methods of computational quantum chemistry can be fruitfully used for quantitative studies of such problems. In Chapter 2, Chapter 3, and Chapter 7 we show that it is possible to reliably calculate local multiplet splittings fully ab initio, and therefore help to assign peaks in experimental spectra to corresponding electronic states. In a situation of large number of peaks due to low local symmetry such assignment using semi-empirical methods can be very tedious and non-unique. Moreover, in Chapter 4 we present a computational scheme for calculating intensities as observed in the resonant inelastic X-ray scattering and X-ray absorption experiments. In our scheme highly-excited core-hole states are calculated explicitly taking into account corresponding orbital relaxation and electron polarization. Computed Cu L-edge spectra for the Li2CuO2 compound reproduce all features present in experiment. Unbiased ab initio calculations allow us to unravel a delicate interplay between the distortion of the local ligand cage around the transition metal ions and the anisotropic electrostatic interactions due to second and farther coordination shells. As shown in Chapter 5 and Chapter 6 this interplay can lead to the counter intuitive multiplet structure, single-ion anisotropy, and magnetic g factors. The effect is quite general and may occur in compounds with large difference between charges of metal ions that form anisotropic environment around the transition metal, like Ir 4+ in plane versus Sr 2+ out of plane in the case of Sr2IrO4. An important aspect of the presented study is the mapping of the quantum chemistry results onto simpler physical models, namely extended Heisenberg model, providing an ab initio parametrization. In Chapter 5 we employ the effective Hamiltonian technique for extracting parameters of the anisotropic Heisenberg model with single-ion anisotropy in the case of quenched orbital moment and second-order spin-orbit coupling. Calculated strong easy-axis anisotropy of the same order of magnitude as the symmetric exchange is consistent with experimentally-observer all-in/all-out magnetic order. In Chapter 6 we introduce new flavour of the mapping procedure applicable to systems with first-order spin-orbit coupling, such as 5d 5 iridates based on analysis of the wavefunction and interaction with magnetic field. In Chapter 6 and Chapter 7 we use this new procedure to obtain parameters of the pseudospin anisotropic Heisenberg model. We find large antisymmetric exchange leading to the canted antiferromagnetic state in Sr2IrO4 and nearly ideal one-dimensional Heisenberg behaviour of the CaIrO3, both agree very well with experimental findings.

The capability to probe the dispersion of elementary spin, charge, orbital, and lattice excitations has positioned resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) at the forefront of photon science. In this work, we will investigate how RIXS can contribute to a deeper understanding of the orbital properties and of the pairing mechanism in unconventional high-temperature superconductors. In particular, we will show how direct RIXS spectra of magnetic excitations can reveal long-range orbital correlations in transition metal compounds, by discriminating different kind of orbital order in magnetic and antiferromagnetic systems. Moreover, we will show how RIXS spectra of quasiparticle excitations in superconductors can measure the superconducting gap magnitude, and reveal the presence of nodal points and phase differences of the superconducting order parameter on the Fermi surface. This can reveal the properties of the underlying pairing mechanism in unconventional superconductors, in particular cuprates and iron pnictides, discriminating between different superconducting order parameter symmetries, such as s, d (singlet pairing) and p wave (triplet pairing).

This thesis covers different problems that arise due to crystal and pseudospin anisotropy present in 3d and 5d transition metal oxides. We demonstrate that the methods of computational quantum chemistry can be fruitfully used for quantitative studies of such problems. In Chapter 2, Chapter 3, and Chapter 7 we show that it is possible to reliably calculate local multiplet splittings fully ab initio, and therefore help to assign peaks in experimental spectra to corresponding electronic states. In a situation of large number of peaks due to low local symmetry such assignment using semi-empirical methods can be very tedious and non-unique. Moreover, in Chapter 4 we present a computational scheme for calculating intensities as observed in the resonant inelastic X-ray scattering and X-ray absorption experiments. In our scheme highly-excited core-hole states are calculated explicitly taking into account corresponding orbital relaxation and electron polarization. Computed Cu L-edge spectra for the Li2CuO2 compound reproduce all features present in experiment. Unbiased ab initio calculations allow us to unravel a delicate interplay between the distortion of the local ligand cage around the transition metal ions and the anisotropic electrostatic interactions due to second and farther coordination shells. As shown in Chapter 5 and Chapter 6 this interplay can lead to the counter intuitive multiplet structure, single-ion anisotropy, and magnetic g factors. The effect is quite general and may occur in compounds with large difference between charges of metal ions that form anisotropic environment around the transition metal, like Ir 4+ in plane versus Sr 2+ out of plane in the case of Sr2IrO4. An important aspect of the presented study is the mapping of the quantum chemistry results onto simpler physical models, namely extended Heisenberg model, providing an ab initio parametrization. In Chapter 5 we employ the effective Hamiltonian technique for extracting parameters of the anisotropic Heisenberg model with single-ion anisotropy in the case of quenched orbital moment and second-order spin-orbit coupling. Calculated strong easy-axis anisotropy of the same order of magnitude as the symmetric exchange is consistent with experimentally-observer all-in/all-out magnetic order. In Chapter 6 we introduce new flavour of the mapping procedure applicable to systems with first-order spin-orbit coupling, such as 5d 5 iridates based on analysis of the wavefunction and interaction with magnetic field. In Chapter 6 and Chapter 7 we use this new procedure to obtain parameters of the pseudospin anisotropic Heisenberg model. We find large antisymmetric exchange leading to the canted antiferromagnetic state in Sr2IrO4 and nearly ideal one-dimensional Heisenberg behaviour of the CaIrO3, both agree very well with experimental findings.

Für die theoretische Beschreibung verschiedener Substanzen, so z.B. für diverse Kuprate die Anwendungen als Hochtemperatur-Supraleiter finden, spielt das t-J-Modell eine wichtige Rolle. In vielen Fällen kann man Abweichungen der Verbindungen vom idealen translationsinvarianten Festkörper vernachlässigen, für bestimmte Eigenschaften ist jedoch der Einfluß von Störstellen,z.B. Dotieratomen, bedeutsam. Um solche Verunreinigungen einzubeziehen, behandelt die vorliegende Arbeit das t-J-Modell mit einer zusätzlichen on-site-Energie mit über die Gitterpläte zufallsverteilten Werten. Um für dieses Modell die Einteilchen-Greensfunktion zu bestimmen, wird ein Verfahren entwickelt, welches auf der Projektionstechnik basiert und die Einbeziehung des Unordnungsterms ermöglicht. Die notwendige Mittelung über die möglichen Unordnungskonfigurationen erfolgt näherungsweise durch Faktorisierung und ist verwandt mit der sogenannten average T-matrix approximation, wird hier jedoch auf ein stark korreliertes System erweitert. Zur Illustration wird der Grundzustand von La2−xSrxCuO4 und Nd2−xCexCuO4 bei einem zusätzlichen Ladungsträger über Halbfüllung untersucht. Wie Bandstrukturrechnungen zeigen, ruft die Dotierung der elektronendotierten Substanz gerade einen solchen Zufallsterm hervor. Dies wurde in der bisherigen Literatur meist vernachlässigt. Bei der Übertragung der Bandstrukturergebnisse in die Modellparameter des t-t′-t′′-J-Modells zeigt sich, daß der Einfluß der Dotieratome bei La2−xSrxCuO4 um etwa eine Größenordnung geringer ist als in Nd2−xCexCuO4 . Als wichtige Ursache hierfür wird der Einfluß der Apex-Sauerstoffatome angesehen, die im Fall von La2−xSrxCuO4 die Seltenerd- Dotieratome gegenüber der Kupferoxidebene abschirmen. Für das mit diesen Parametern belegte Modell wird anschließend die Einteilchen- Greensfunktion berechnet, die Ausgangspunkt der Berechnung verschiedener Observablen ist. Die für die elektronendotierte Substanz auftretende lokale Mode gibt zu dem Vorschlag Anlaß, daß die unterschiedliche Stabilität der antiferromagnetischen Phase für die beiden betrachteten Substanzen nicht nur auf die Art der Ladungsträger zurückzuführen ist, sondern auch auf die Struktur der Elementarzelle. / The t-J-Modell can be applied to several classes of materials, e.g. high-Tc cuprate superconductors. Often translational invariance can be assumed, but sometimes it is necessary to take into account the effects of the doping atoms at randomly distributed sites. Therefore a t-J-Modell with an additional randomly distributed on-site energy is investigated. To calculate the one-particle Green’s function considering this term of disorder, a method is developed which bases on projection technique. The average over the possible configurations of the dopand atoms is approximated by factorization and is similar to the so-called average T-matrix approximation. Here it is extended to a model with strong correlations. In order to illustrate the methode the single-particle ground state of La2−xSrxCuO4 and Nd2−xCexCuO4 is analyzed. Band-structure calculations exhibit that for the electron-doped case the doping atoms (in first approximation) induce indeed a term of disordered on-site energies. The transformation of the values of this energies at the copper sites into the parameters in the t − t′ − t′′ − J-model shows that the influence of doping in La2−xSrxCuO4 is by about an order of magnitude smaller than in Nd2−xCexCuO4 . The existence of apex oxygen atoms between the rare-earth plane and the copper-oxygen plane in La2−xSrxCuO4 is one important reason for that effect. The single-particle Greens function for the t-t′-t′′-J-model with these parameters is calculated. A local mode appears in the electron-doped case, which suggests that the differences of the stability of the antiferromagnetic phases in both compounds are not only due to the type of charge carriers but also due to the structure of the unit cell.

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Methods for reliability assessment and a deep understanding of degradation mechanisms are important for product and process development. In this work, reliability under electrical stress of a state-of-the-art integrated low-temperature PVD PZT Film stack is discussed. DC and AC lifetime under electric stress are investigated experimentally over wide ranges of temperature and applied electric field. Empirical Weibull analysis and comparison of the obtained Weibull slope is used to evaluate suitable acceleration ranges for empirical testing. Changes of the Weibull slope above a temperature of 150 °C and gradual change over voltage acceleration in the range of 100 kV/cm to 200 kV/cm were found. This indicates that accelerated lifetime testing in the temperature range below 150 °C is possible and caution is required for voltage acceleration. The results of this study are also published in Ref. (a). Closing the literature gap, time to breakdown data under unipolar AC electric stress is presented. Comparison with results obtained under DC electric stress reveals that the DC degradation mechanism still dominates under unipolar AC load. This observation was found to hold over tested AC frequency, DC offset, and temperature ranges. As consequence, AC lifetime can be predicted based on DC time to breakdown experiments (b). To enhance the physical understanding of degradation and breakdown, variation of the leakage current over time during electrical load is analyzed. An enhanced physical model for leakage current degradation is proposed and degradation kinetics are studied experimentally. For the first time, more than one defect species being active and manifesting in leakage current degradation of perovskite oxides are proposed and experimental evidence is presented to substantiate the hypotheses. Model predictions and experimental results are found to be in excellent agreement. The proposed characterization method allows for characterization of contributing defect types by associated charge and true activation energy (c). Based on experimental observations, a direct connection between leakage current degradation mechanism and time dependent dielectric breakdown (TDDB) mechanism is proposed and formulated in a physical model. For the first time, kinetics of leakage current degradation and TDDB are successfully linked, using new evaluation methods for the experimental data obtained under DC and AC electrical stress. This pioneering connection between leakage current and breakdown ultimately leads to the fundament of a comprehensive HALT model. Fundamental implications of the new findings on reliability testing of high-k dielectrics are discussed. / Methoden zur Zuverlässigkeitsbewertung und ein tiefes Verständnis der Degradationsmechanismen sind wichtig für die Produkt- und Prozessentwicklung. In dieser Arbeit wird die Zuverlässigkeit eines auf dem Stand der Technik befindlichen integrierten niedertemperatur PVD PZT Dünnschichtstapels unter elektrischer Last diskutiert. Lebenszeit unter Gleichstrom- (DC) und Wechselstromlast (AC) werden experimentell über weite Bereiche der Temperatur und angelegter Feldstärke untersucht. Empirische Weibull Analyse und Vergleich der erhaltenen Weibull-Module werden verwendet, um Beschleunigungsbereiche für empirische Testverfahren zu bewerten. Eine Veränderung der Weibull-Module oberhalb von 150 °C und eine graduelle Veränderung für Spannungsbeschleunigung im Bereich von 100 kV/cm bis 200 kV/cm wurden festgestellt. Dies weist darauf hin, dass beschleunigte Lebenszeittests im Temperaturbereich unterhalb von 150 °C möglich sind, Spannungsbeschleunigung jedoch mit hoher Vorsicht zu bewerten ist. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind ebenfalls in Ref. (a) veröffentlicht. Durch die Präsentation von Durchbruchzeiten unter unipolarer AC-Belastung wird eine Forschungslücke geschlossen. Ein Vergleich mit Ergebnissen, die unter Gleichstrombelastung erhoben wurden zeigt, dass Degradationsmechanismen, die unter DC aktiv sind unter unipolarer AC-Belastung das Durchbruchverhalten weiterhin dominieren. Diese Beobachtung hat Bestand über die untersuchten Bereiche von AC-Frequenz, DC-Versatz und Temperatur. Daraus folgt, dass Lebenszeit unter AC-Belastung durch Experimente unter DC vorhergesagt werden kann (b). Um das physikalische Verständins von Degradation und Durchbruch zu erweitern, wird die Veränderung des Leckstroms über elektrischer Belastungszeit analysiert. Ein erweitertes physikalisches Modell für die Leckstromdegradation wird vorgeschlagen und die Degradationskinetik wird experimentell untersucht. Zum ersten Mal, werden mehr als zwei aktive Defektarten, die sich in der Leckstromdegradation von Perowskit Oxiden abzeichnen eingebracht und durch experimentelle Befunde untermauert. Modellvorhersagen und experimentelle Ergebnisse zeigen eine exzellente Übereinstimmung. Die vorgeschlagene Charakterisierungsmethode erlaubt die Charakterisierung der beteiligten Defektarten über zugeordneter Ladung und wahrer Aktivierungsenergie (c). Basierend auf experimentellen Beobachtungen wird ein direkter Zusammenhang zwischen Leckstromdegradation und zeitabhängigem dielektrischen Durchbruchmechanismus (TDDB) vorgeschlagen und in einem physikalischen Modell abgebildet. Zum ersten Mal werden die Kinetik hinter Leckstromdegradation und TDDB über neue Auswerteverfahren der erhobenen experimentellen Daten unter DC- und AC-Belastung erfolgreich verknüpft. Dieser wegweisende Zusammenhang zwischen Leckstromdegradation und Durchbruch legt das Fundament zu einer verständnisbasierten stark beschleunigten Grenzlastprüfung. Grundlegende Auswirkungen der neuen Ergebnisse auf Zuverlässigkeitstestmethoden von high-k Dielektrika werden diskutiert.