Metal-halide perovskites have attracted intense research endeavors because of their excellent optical and electronic properties. Different kinds of electronic and optoelectronic devices have been fabricated using perovskites. A feasible approach to utilize these properties in real device applications with improved performance and new functionalities is by fabricating heterostructures with extraneous materials. We have developed mixed-dimensional heterostructure systems using three-dimensional (3D) metal-halide perovskites and different types of different two-dimensional (2D) materials, including semimetal graphene, semiconducting phosphorus-doped graphitic-C3N4 sheets (PCN-S), and plasmonic Nb2CTx MXenes. First, selective growth of single-crystalline MAPbBr3 platelets on monolayer graphene by chemical vapor deposition (CVD) is achieved to prepare the MAPbBr3/graphene heterostructures. P-type doping from MAPbBr3 is observed in the monolayer graphene with a decreased work function of 272 meV under illumination. The photoresponse of the fabricated phototransistor heterostructure verifies the enhanced p-type character in graphene. Such kind of charge transfer can be used to improve device performance. Then, bulk-heterojunctions made of MAPbI3-xClx and PCN-S are prepared in solution. The matched band diagram and the midgap states in PCN-S present a convenient and efficient approach to reduce the dark current and increase the photocurrent of the as-fabricated photodetectors. As a result, the on/off ratio increases from 103 to 105, and the detectivity is up to 1013 Jones with an order of magnitude enhancement compared to the perovskite-only device. Last, plasmonic Nb2CTx MXenes and MAPbI3 heterostructures are prepared for photodiodes to broaden the detection band to near-infrared (NIR) lights. The use of the perovskite layer expanded the operation of the diode to the visible range while suppressing the dark current of the NIR-absorbing Nb2CTx layer. The fabricated photodiode reveals a detectivity of 0.25 A/W with a linear dynamic range of 96 dB in the visible region. In the NIR region, the device demonstrates an increased on/off ratio from less than 2 to near 103 and much faster response times of less than 30 ms. The improved performance is attributed to the passivation of the MAPbI3/Nb2CTx interface.

Ce mémoire décrit les recherches récentes que j'ai effectuées de 1998 à ce jour. De 1998 à 2004, mes efforts principaux ont eu pour objet au CRHEA le développement de la croissance par épitaxie en phase vapeur par décomposition d'organométalliques (EPVOM) des matériaux GaN et AlGaN sur saphir avec des perspectives d'application aux photodétecteurs ultraviolets et aux transistors à effet de champ, dans un cadre de recherche coopérative intense qui a été soutenue en permanence par des ressources propres apportées sur une base de contrats européens et nationaux. Le mémoire, qui ne prétend pas être exhaustif, est focalisé sur les développements que j'ai effectués autour des matériaux GaN et AlGaN pour les applications opto-électroniques aux photodétecteurs ultraviolets. L'élaboration du diamant en couche mince, au moyen de la technique de croissance en phase vapeur assistée par plasma microonde, a ensuite constitué l'objet principal de mon activité de recherche ces quatre dernières années au CNRS LEPES, puis à l'Institut Néel. Un accent particulier a été mis sur le développement d'applications technologiques novatrices propres à valoriser le potentiel du diamant dopé pour les composants, dans le cadre de projets coopératifs nationaux qui s'ouvraient, notamment, vers l'électronique de puissance, l'électrochimie pour applications environnementales et les bio-capteurs. Une sélection de sujets est donc là aussi présente dans ce mémoire, dont l'objectif est avant tout de refléter les résultats et les orientations générales représentant le mieux mes sujets présents et futurs.

Ce travail de thèse consiste en une étude des mécanismes de croissance des nanotubes de carbone monofeuillets par spectroscopie Raman in situ. La première partie de ce travail est consacrée à la mise en évidence des limites en température et en pression partielle de précurseur carboné du domaine de croissance des nanotubes de carbone monofeuillets. L’atout principal de la spectroscopie Raman in situ étant de pouvoir corréler informations structurales et cinétiques, cette approche a aussi permis d'étudier l'influence des principaux paramètres de synthèse (T, P, nature du précurseur carboné et du catalyseur) sur les cinétiques de croissance et de désactivation, ainsi que sur la nature et la quantité des espèces carbonées désordonnées produites. Enfin, l’influence de la température et de la pression partielle de précurseur sur le diamètre des nanotubes formés a également été étudiée. Ce travail a finalement conduit à la mise en évidence de plusieurs processus élémentaires impliqués dans : l’activation, la croissance, la désactivation, la qualité structurale, la pureté et la sélectivité en diamètre des nanotubes. / This work presents a study of the Single-Walled Carbon Nanotubes growth mechanisms by in situ Raman measurements. The first part of the manuscript is devoted to the determination of the temperature and precursor partial pressure limits of the Single-Walled Carbon Nanotubes growth domain. Furthermore, in situ Raman spectroscopy allows to correlate structural information and kinetics: this approach permits to study the influence of the main synthesis parameters (T, P, nature of the carbon precursor and of the catalyst) on the growth and deactivation kinetics, and on the nature and the quantity of disordered carbon species synthesized. Lastly, a study on the temperature and precursor partial pressure effects on the nanotubes diameters is reported. All the data collected have finally led to a discussion about the elementary processes involved in: activation, growth, deactivation, structural quality, purity and diameter selectivity of Single-Walled Carbon Nanotubes.

Les nanofils de silicium et de germanium présentent un fort potentiel technologique, d’autant plus important que leur position et leur taille sont contrôlées. Dans le cadre de cette thèse, la croissance de ces nano-objets a été réalisée par dépôt chimique en phase vapeur sous ultravide à l’aide d’un catalyseur d’or via le mécanisme vapeur-liquide-solide.Dans un premier temps, différentes techniques, le démouillage d’un film mince, l’évaporation par faisceau d’électrons et l’épitaxie par jet moléculaire, ont été mises en œuvre pour l’obtention du catalyseur métallique pour la croissance des nanofils.Dans un deuxième temps, la cinétique de croissance des nanofils de silicium a été étudiée en fonction de la pression, de la température de croissance et du diamètre des gouttes. Le gaz précurseur qui a été utilisé est le silane. Cette étude a permis de déterminer un diamètre critique de changement de direction de croissance, au-dessus duquel les nanofils sont épitaxiés sans défauts cristallins et préférentiellement selon la direction <111>. Le diamètre critique a été estimé à 80 nm. La cinétique de croissance en fonction de la pression a pu être interprétée de façon satisfaisante par la relation de Gibbs-Thomson. Ceci a permis la détermination du coefficient de collage des molécules de silane sur la surface de l'or et la pression de vapeur saturante du silicium P∞. Le changement morphologique de la section du nanofil et la distribution de nanoclusters d’or sur les parois ont été aussi détaillé à l’aide d’analyses par microscopie électronique en transmission.L’intégration des nanofils dans un dispositif nécessite de pouvoir les connecter. Pour les localiser et les orienter, un procédé basé sur le procédé d’oxydation localisée du silicium est proposé, pour former des ouvertures Si(111), à partir d’un substrat Si(001). Les gouttes d’or sont alors localisées dans ces ouvertures et vont servir à la croissance de nanofils orientés suivant une seule des directions [111]. Enfin, la cinétique de croissance de nanofils de germanium a été étudié. La limitation de l’utilisation du germane dilué à 10% dans l’hydrogène dans notre système d’épitaxie UHV-CVD a été démontrée. Compte tenu de notre dispositif expérimental, le gaz précurseur a été changé pour du digermane dilué à 10% dans de l’hydrogène afin de favoriser une croissance verticale de nanofils de Ge. Ceci nous a permis d’élaborer des nanofils de Ge avec des vitesses de croissance pouvant atteindre 100 nm/min. Des analyses structurales montrent l’existence d’un évasement des nanofils. Ceci est engendré par la présence d’une croissance latérale qui augmente avec la température. Comme dans le cas des nanofils de Si, nous observons la présence de l’or sur les parois latérales des nanofils. Cependant la présence de l’or est limitée à la partie supérieure des nanofils. Cette diffusion des nanoclusters d’or sur les parois peut être diminuée en augmentant la pression de croissance. En outre, l’étude de la vitesse de croissance des nanofils de Ge en fonction du rayon des gouttes d’or a permis de déterminer un rayon critique de 6 nm en dessous duquel la croissance de nanofil ne peut avoir lieu. Ce résultat a été interprété à l’aide d’un modèle basé sur l’effet Gibbs-Thomson et prenant comme hypothèse que l’étape limitante dans la croissance vapeur-liquide-solide est l’adsorption et l’évaporation du germanium. / Silicon and germanium nanowires have a high technological potential, which makes them more interesting when their position and size are controlled. As part of this thesis, the growth was achieved by chemical vapor deposition using a gold catalyst through the vapor-liquid-solid mechanism.Initially, various techniques such as dewetting, electron beam evaporation and molecular beam epitaxy to obtain the metal catalyst for the growth of nanowires were performed.In a second step, the growth kinetics of silicon nanowires has been studied as a function of pressure, temperature and catalyst diameter. Silane was used as precursor gas. A critical diameter change of direction of growth and above which the nanowires grow without crystal defects and preferentially in the direction <111> was estimated at 80 nm. The growth kinetics depending on the pressure could be explained by the Gibbs-Thomson. This allowed the determination of the adsorption coefficient of silane molecules on the surface of gold and the saturated vapor pressure of silicon P∞. The morphological change of the section of the nanowire and the distribution of gold nanoclusters on their walls were also detailed analysis using transmission electron microscopy.The integration of nanowires into devices requires to connect them. A process based on the method of local oxidation of silicon is proposed to form Si(111) seeds, from Si(001) substrate. Gold droplets are then located in these seeds and are used to grow nanowires oriented along one of the directions [111].Finally, the growth kinetics of germanium nanowires was studied. Restrictions on the use of 10% germane diluted in hydrogen in our system epitaxy UHV-CVD has been demonstrated. Given our experimental setup, the precursor gas was changed to the digermane diluted to 10% in hydrogen to promote vertical growth of Ge nanowires. This enabled us to develop Ge nanowires with growth rates up to 100 nm / min. Structural analysis showed the existence of a tapering of the nanowires. This is caused by the presence of lateral growth which increases with temperature. As in the case of Si nanowires, gold nanoclusters were observed on the sidewalls of the nanowires. However, the presence of gold is limited to the top of the nanowires. This diffusion of gold nanoclusters on the walls can be reduced by increasing the growth pressure. In addition, the variation of the speed of growth of Ge nanowires according to the radius of drops of gold has identified a critical radius of 6 nm below which the nanowire growth can occur. This result was interpreted using a model based on the Gibbs-Thomson effect and assuming that the limiting step in the vapor-liquid-solid growth is adsorption and evaporation of germanium.

L’objectif de cette thèse porte sur la synthèse du diamant monocristallin dopé au bore par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde (MPCVD). Ces couches épitaxiées jouent le rôle de couches actives dans des composants pour l’électronique de puissance. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet Européen H2020 Greendiamond. Durant cette thèse, un traitement de gravure des défauts surfaciques des substrats de diamant HPHT par plasma Ar/O₂ a été mis au point. L’efficacité de ce traitement a été validée par diffraction des rayons X à haute résolution, spectroscopie Raman et cathodoluminescence. Cette étape s’est révélée essentielle pour l’amélioration des propriétés de transport de couches de diamant dopées au bore pour les applications en électronique.L’optimisation des conditions de croissance de couches de diamant faiblement dopées au bore (<10¹⁶ at.cm⁻¹) a permis la synthèse de films homoépitaxiés allant jusqu’à 5 µm d’épaisseur présentant une haute qualité cristalline. Les propriétés structurales et de transport de ces couches ont été corrélés en combinant différentes méthodes comme la spectroscopie Raman, la cathodoluminescence, la topographie X, l’imagerie MEB des défauts, les mesures par temps de vol et des mesures de Hall.Ces films de diamant dopés au bore ont été intégrés avec succès dans des composants électroniques comme des MESFET ou des diodes Schottky. / This PhD aims to synthetize boron doped single-crystal diamond epilayers by Micro-Wave Plasma Chemical Vapor Deposition (MPCVD) as active layers for power electronic devices. This work was performed in relation with the European H2020 Greendiamond project. A powerful Ar/O₂ plasma etching was optimized which allows the efficient elimination of defects in the subsurface of HPHT diamond substrates as confirmed by High Resolution X-ray Diffraction, Raman spectroscopy and Cathodoluminescence. This step proved to be crucial for the improvement of low boron doped-diamond layers carrier properties for electronic purposes.The optimization of growth conditions performed on low boron-doped diamond layers (<10¹⁶ at.cm⁻³) enabled the synthesis of high quality doped layers, 5 µm thick. The structural and transport properties of these layers were correlated by different techniques: Raman spectroscopy, Cathodoluminescence, X-Ray Topography, SEM imaging of defects, Transient Current Technique, Hall measurements.Finally, low boron doped epilayers were integrated with success in electronic devices such as MESFET or Schottky diodes.

The landscape of consumer electronics has drastically changed over the last decade. Technological advances have led to the development of portable media devices, such as the iPod, smart phones and laptops. This has been achieved primarily through miniaturisation and using materials such as Lithium and Indium Tin Oxide (ITO) to increase energy density in batteries and as transparent electrodes for light emitting displays respectively. However, ten years on there are now new consumer demands, which are dictating the direction of research and new products are under constant development. Graphene is a promising next-generation material that was discovered in 2004. It is composed of a two-dimensional lattice made only from carbon. The atoms are arranged in a two atom basis hexagonal crystal structure which forms a fundamental building block of all sp2 hybrid forms of carbon. The production of large area graphene has a high cost, due to the long growth times and the high temperatures required. This is relevant as graphene is not viable compared to other transparent conductors which are produced on industrial scales for a fraction of the cost of graphene growth. Furthermore, graphene has a high intrinsic resistivity (2KW/_) which is three orders of magnitude greater than the current industry standard ITO. This limits the size of the electrodes as there is dissipation of energy across the electrode leading to inefficiency. Furthermore a potential drop occurs across the electrode leading to a non-uniform light emission when the electrode is used in a light emitting display. I investigate alternative methods of large area graphene growth with the aim of reducing the manufacturing costs, while maintaining the quality required for graphene human interface devices. Building on this I develop new fabrication methods for the production of large-area graphene devices which are flexible and transparent and show the first all graphene touch sensor. Focusing on the reducing the high resistivity of graphene using FeCl3 intercalation, while maintaining high optical transmission, I show low resistivity achieved using this process for microscopic graphene flakes, large-area graphene grown on silicon carbide and large-area graphene grown by CVD. Furthermore, I explore the stability of FeCl3 intercalated graphene and a process to transfer a material to arbitrary flexible substrates.

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Ce travail de thèse porte sur l’étude de nouveaux phénomènes vibratoires dans les systèmes Nano-électromécaniques (NEMS) conçus à partir de nanofils (NFs) SiC ou de nanotubes de carbone (NCs) résonants. La configuration encastré-libre permet d'effectuer l'émission de champ (EC) pour caractériser nos échantillons et notamment mesurer le module de Young et le facteur de qualité (Q) de nos NEMS. Le chauffage du résonateur permet d'accroître fortement la valeur de Q des nanofils SiC (Qmax = 159 000). Les auto-oscillations observées sous EC sont obtenues seulement par l'application d'une tension continue et permettent un taux de conversion AC/DC de l'ordre de 50%. L'utilisation de NFs très résistifs couplée au courant d'EC est indispensable pour engendrer ces oscillations spontanées. La réalisation d'une nanoradio sous EC permet la démodulation d'un signal AM ou FM grâce à la résonance d'un NC. Nous décrivons une méthode originale pour exciter les vibrations d'un NF à partir du faisceau d'électrons d'un microscope électronique. L'évolution de la charge au bout du NF est la principale cause de ces auto-oscillations. La configuration encastré-encastré consiste à obtenir un transistor à base de NCs suspendus. Les composants sont caractérisés électriquement et mécaniquement dans un testeur sous pointe sous ultra vide à partir de techniques dites de mixing. La fréquence de résonance de ces échantillons est de l'ordre de 100 MHz et la démodulation d'un signal FM est réalisée pour la première fois dans cette configuration de NEMS. Pour l'ensemble des phénomènes découverts et traités dans ce manuscrit, un modèle et les simulations qui en découlent sont présentés et commentés / This thesis focuses on new phenomena in the mechanical resonances of SiC nanowires (NWs) and carbon nanotubes (CNs) of interest for the emerging field of nano-electro-mechanical systems (NEMS). The clamped-free confiuration allowed the study of our nanowire and nanotube samples by field emission (FE), including measuring the Young's modulus and the quality factor (Q). Heating NW resonators significantly increased their Q factor (Qmax = 159 000). Self-oscillations were observed during FE where only a DC voltage was applied, thus allowing DC/AC conversion with a rate of up to » 50%. Using highly resistive NWs coupled with FE current was required to generate these spontaneous oscillations. Achieving a nanoradio under FE allowed the demodulation of AM or FM signals through the mechanical resonance of CNs. We describe a new method to excite vibrations of a NW from the electron beam of an electron microscope. The evolution of the charge at the end of NW is the main source of these self-oscillations. The clamped-clamped configuration consists of a transistor based on suspended CNs. The devices are characterized electrically and mechanically in a probe station under ultrahigh vacuum with mixing techniques. The resonance frequencies of these samples was around 100 MHz. The demodulation of an FM signal was achieved for the first time in this NEMS configuration. For all the phenomena discovered and treated in this manuscript, a model and derived simulations are described and discussed

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation. / Graphene is a sp2 hybridized carbon nanostructure with incredible electronical and optical properties that make it interesting for various applications. Its large scale production is still a challenge and there is still some physical and chemical properties that need further studies to better exploit them. Covalent functionalization is a chemical reaction that can be used as a tool to study those properties because it breaks the sp2 crystalline structure, so it modulates the properties of graphene. There are not many studies of that reaction on graphene deposited on a surface because the chemical reactivity depends greatly on the chemical environment. That is why it is important to study the functionalization of graphene on surfaces to understand chemical reactivity and the modification of electronical and optical properties in order to potentially exploit the benefits. This master thesis is focusing on the chemical reactivity of graphene to covalent functionalization and the study of its optical properties. First, we grow graphene using the chemical vapour deposition method. After the growth of monolayer, we change the parameters and we observe the formation of bilayers if the carbonated gas is present during the cooling step of the growth. From that observation, we propose a kinetic model of bilayer growth. Then we proceed to a detailed study of monolayer and bilayer graphene functionalization. First, we demonstrate that there is a substrate effect that inhibits greatly the grafting of organic molecules on the graphene surface. However it is possible to overcome this substrate effect by different ways: 1) chemical doping of the graphene with reducing molecules can modify the electrochemical potential to enhance the reaction; 2) transferring graphene on a substrate that doesn’t affect the electronical properties of graphene; 3) the use of an electrografting method with an electrochemical cell can also modulate the potential so the efficiency of the reaction is enhanced. Also, we observe that the chemical reactivity of bilayer graphene is lower compared to the monolayer because of structural rigidity caused by interlayer interaction. Finally, we demonstrate that the infrared spectroscopy is a powerful tool to study the effect of functionalization and the effect of bilayers on the optical properties of graphene. We observe some bands in the region of the mid-IR, while the infrared selection rules don’t predict any. Also, the shape of those bands change greatly depending on the doping level when there is bilayers or when the graphene is functionalized.