Nanotechnology has a steadily increasing impact on worldwide research and business activities. This work explores advanced micro/nano patterning approaches for molecular manipulation. The objectives are to (1) build a proper bridge from a few microns to the 100-10 nm range and below as well as to (2) combine “top-down” precise design with the “bottom-up” size scale to create designed surfaces, areas and volumes that can interact with molecules in a designed way. Three studies were designed and studied accordingly. The first investigation demonstrates that “top-down” Inclined Nanoimprinting Lithography (INIL) is able to produce three-dimensional (3-D) nanopatterns of varying heights in a single step. INIL reduces pattern's feature size from microns to nanometers. The degree of resulting nanopattern's asymmetry can be controlled by the magnitude of the inclination angle. Various 3-D nanostructures are successfully demonstrated including nanolines, nanocircles and nanosquares. The underlying INIL mechanism is investigated, which is primarily due to the induced shear force when the inclination angle is not zero. This leads to the anisotropic dewetting of polymer fluid and consequently asymmetric 3D nanopatterns of varying heights. INIL removes the need of preparation of expensive 3D nanotemplates or multiple template-to-substrate alignments. In addition, such 3-D structures are successfully transferred to silicon, silicone rubber and metal gold. INIL enables 3D nano-scale devices including angle-resolved photonic and plasmonic crystals. The second investigation demonstrates the success of “bottom-up” molecular imprinting of X-ray contrast agent iodixanol in polymer matrix. The synthetic tailor-made molecularly imprinted polymers (MIPs) are poly(4-vinylpyridine-co-ethylene glycol dimethacrylate) which possess specific binding sites induced by the template molecules of X-ray contrast agent iodixanol. It leads the feature size reduction from macromolecules to molecular scale. The properly imprinted binding sites also leads MIPs to have improved absorption capacity and efficiency for X-ray contrast agent iodixanol relative to non-imprinted polymers. The best binding capacity achieved from the optimized MIPs was 284 mg/g in aqueous solution, 8.8 times higher than that of the non-imprinted polymers. The best binding capacity obtained in sheep plasma was 232 mg/g, 4.5 times higher than the non-imprinted polymers. The factors that may affect the binding performance of MIPs in aqueous media are studied. The optimized MIPs are encouraging for biomedical implementations including dialysis and nanosensors. The third investigation of nanolithography-based molecular manipulation (NMM) explores a hybrid approach by combining “top-down” electron-beam lithography (EBL) with “bottom-up” surface initiated polymerization (SIP). It reduces the nanopattern's feature size to sub-10 nm and simultaneously tunes its surface chemistry through functional polymer brushes. The process has reduced process complexity and cost. The demonstrated prototype molecular manipulation templates have 3D surface nanostructures with sub-10 nm feature size and anisotropic surface functionalities. They mimic biocatalyst enzymes to “bottom-up” assemble nanoparticle targets at specific locations producing 3D nanostructures in a designated way. Various 3D synthetic nanostructures have been demonstrated including polystyrene “nanomushrooms” “nanospikes”, “nanofibers” and polystyrene-iron oxide “nanoflowers”. Potential applications of these synthetic 3D nanostructures can be improved therapeutic agents. This hybrid strategy realizes the integration of “top-down” design with “bottom-up” molecular scale to create designed nanopatterned surfaces that can interact with molecules in a designated way.

Thesis (Ph. D.)--Auburn University, 2008. / Abstract. Vita. Includes bibliographical references (p. 177-194).

Les transitions intersousbandes (ISB) sont des transitions d’énergie entre des états électroniques dans un puits quantique. Les nanostructures GaN/AlGaN sont prometteuses pour le développement de composants optoélectroniques ISB pouvant couvrir la totalité de la gamme infrarouge. Leur large décalage de bande de conduction (~1.8 eV pour les systèmes GaN/AlN) et temps de vie ISB inférieurs au picoseconde les rendent attractifs pour l’optronique ultra-rapide en régime infrarouge courte longueur d’onde (SWIR, 1-3 µm) et moyenne longueur d’onde (MWIR, 3-8 µm). De plus, la grande énergie de phonon longitudinal-optique du GaN (92 meV, 13 µm) offre la possibilité de développer des composants ISB couvrant la bande 5-10 THz, interdite au GaAs, et opérant à température ambiante.Le travail décrit dans ce manuscrit a eu pour objectif d'améliorer les performances des technologies ISB GaN/AlGaN et de contribuer à une meilleure compréhension des problématiques posées par leur extension à la gamme des THz. D’une part, la photodétection ISB nécessite le dopage n des nanostructures. Dans ce travail de thèse, on étudie le Si et le Ge en tant que dopants de type n potentiels pour le GaN. D’autre part, la présence de champs électriques internes dans la direction de confinement des hétérostructures plan c constitue l’un des principaux défis de la technologie GaN ISB. C'est pourquoi on étudie la possibilité d’utiliser des orientations cristalline non-polaires a ou m alternatives pour obtenir des systèmes opérant sans l’influence de ces champs électriques.Concernant l'étude du Ge et du Si comme dopants potentiels, on montre que l’incorporation de Ge dans des couches mince de GaN n’affecte pas leur morphologie, mosaïcité ni photoluminescence. Les propriétés bande-à-bande des nanostructures GaN/AlGaN plan c étudiées sont indifférentes à la nature du dopant, mais les structures à grand désaccord de maille voient leur qualité structurale améliorée par le dopage Ge. Concernant l’alternative non-polaire, on compare des structures à multi-puits quantiques GaN/AlN plan a et plan m. Les meilleurs résultats en termes de performances structurales et optiques (bande-à-bande et ISB) sont obtenues pour les structures plan m. Elles montrent de l’absorption ISB à température ambiante couvrant la fenêtre SWIR, avec des performances comparables aux structures plan c, mais avec une qualité structurale trop faible pour envisager la fabrication de composants. En incorporant du Ga dans les barrières d’AlN, on réduit de désaccord de maille et donc la densité de fissures. Ces structures plan m montrent de l’absorption ISB à température ambiante dans la gamme MWIR 4.0-4.8 µm, mais présentent toujours des défauts de structure. Finalement, on a étendu l’étude à la gamme lointain infrarouge, en utilisant des barrières d’AlGaN avec une composition bien plus basse en Al. Les structures plan m étudiées présentent une excellente qualité cristalline, sans défauts de structures, et présentent de l’absorption intersousbande à basse température entre 6.3 et 37.4 meV (1.5 et 9 THz). Ce résultat constitue une démonstration expérimentale de la faisabilité de composants GaN opérant dans la bande 5-10 THz, interdite aux technologies GaAs. / Intersubband (ISB) transitions are energy transitions between electronic states in a quantum well. GaN/AlGaN nanostructures have emerged as promising materials for new ISB optoelectronics devices, with the potential to cover the whole infrared spectrum. Their large conduction band offset (~1.8 eV for GaN/AlN) and sub-picosecond ISB recovery times make them appealing for ultrafast photonics devices in the short-wavelength infrared (SWIR, 1-3 µm), and mid-wavelength infrared (MWIR, 3-8 µm) regions. Moreover, the large energy of GaN longitudinal-optical phonon (92 meV, 13 µm) opens prospects for room-temperature ISB devices covering the 5-10 THz band, inaccessible to GaAs.The work described in this thesis has aimed at improving the performance and understanding of the material issues involved in the extension of the GaN/AlGaN ISB technology to the THz range. On the one hand, ISB photodetection requires n-type doping of the active nanostructures. In this work, we explore Si and Ge as potential n-type dopants for GaN. On the other hand, the presence of internal electric fields in the confinement direction of polar c-plane heterostructures constitutes one of the main challenges of the GaN-based ISB technology. In this thesis, we address the use of nonpolar a or m crystallographic orientations as an alternative to operate without the influence of these electric fields.Regarding the use of Si and Ge as n-type dopants for GaN, we show that the use of Ge as a dopant does not affect the morphology, mosaicity and photoluminescence properties of the doped GaN thin films. In the c-plane GaN/AlGaN heterostructures, no effect on the band-to-band properties was observed, but the structures with high lattice mismatch showed better mosaicity when doped with Ge. Regarding the alternative of nonpolar GaN, we compared GaN/AlN multi-quantum wells grown on a and m nonpolar free-standing GaN substrates. The best results in terms of structural and optical (both band-to-band and ISB) performance were obtained for m-plane structures. They showed room-temperature ISB absorption covering the whole SWIR spectrum, with optical performance comparable to polar c-plane structures, in spite of a too low structural quality to consider device processing. By introducing Ga in the AlN barriers, the lattice mismatch of the structure is reduced, leading to lower densities of cracks. Such m-plane structures showed room-temperature ISB absorption tunable in the 4.0-5.8 µm MWIR range, but still with structural defects. Finally, we extended the study to the far-infrared range, using AlGaN barriers with much lower Al content. As a result, the studied m-plane structures displayed an excellent crystalline quality, without extended defects, and showed low-temperature ISB absorption in the 6.3 to 37.4 meV (1.5 to 9 THz) range. This result constitutes an experimental demonstration of the feasibility of GaN devices for the 5-10 THz band, forbidden to GaAs-based technologies.

De nouveaux matériaux métalliques nanoporeux à base d’éléments n’appartenant pas à la famille du Pt ont été synthétisés par le "dealloying" (ou dissolution sélective) d’alliages rapidement solidifiés. L’objectif est d’examiner les propriétés catalytiques en vue d’utilisation dans des piles à combustible alcalines directes ou en tant que substrats actifs pour la spectroscopie SERS. Des surfaces et des matrices nanostructurées de cuivre de morphologie très fines et une forte surface spécifique ont été obtenues respectivement par le dealloying aqueux de rubans CuxCa100-x amorphe (35 <x< 80 % at.) et par le dellaoying chimique d’échantillons massifs de Cu90(HfZr)10. Des substrats nanoporeux d’Ag et de Co ont été produits par dealloying en retirant les phases riches en Cu et Si de rubans M38,75Cu38,75Si22,5 cristallin (avec M = Co ou Ag). En complément des techniques de caractérisations conventionnelles, toutes les structures nanoporeuses ont pu être reconstruites par nanotomographie à partir de découpes FIB. Des outils numériques spécifiques à la nanotomographie de visualisation et de cartographie en 3 dimensions ont permis de révéler la diversité morphologique des trois systèmes avec la porosité traversante. Ces matériaux ont pour la première fois été étudiés pour leur utilisation pratique en tant que catalyseurs anodiques auto-supportés. Cette étude suggére qu’ils constituent une alternative sérieuse aux composites commerciaux instables à base de Pt et supportés par du C. Des essais électrochimiques en demi-cellule ont montré une excellente activité catalytique vis-à-vis de l’oxydation d’un combustible en borane ainsi qu’une stabilité de fonctionnement supérieure dans un environnement alcalin en comparaison d’un catalyseur Pt/C. Le Co nanoporeux a montré dans des conditions similaires une meilleure efficacité mais une stabilité moindre, attribuée à la composition chimique complexe de son réseau poreux. Le Cu nanoporeux n’a pas été étudié pour les applications mentionnées précédemment en raison de sa grande fragilité. Il est suggéré d’améliorer la voie de synthèse de son précurseur pour augmenter sa tenue mécanique. Enfin le comportement mécanique de ces nouveaux matériaux métalliques nanoporeux a été abordé par des mesures de nanoindentation sur des substrats nanoporeux d’Ag. L’étude a permis de proposer un modèle phénoménologique de dépendance entre la charge et le déplacement pour cette classe de matériaux métalliques. / New nanoporous metallic materials based on non-Pt group metals have been synthesized via dealloying of rapidly solidified alloys and aimed to demonstrate competitive catalytic performance in the field of direct alkaline fuel cells and SERS-active substrates. Nanostructured copper surface and nanoporous copper matrix with very fine morphology and specific surface area were obtained by chemical dealloying of bulk Cu90(HfZr)10 and melt-spun amorphous CuxCa100-x (x ranging from 35 to 80 at.%) family of alloys accordingly. Nanoporous silver and cobalt substrates were produced by dealloying of M38.75Cu38.75Si22.5 crystalline ribbons (M = Co and Ag) as a result of the removal of Cu and Si-rich phases. In addition to conventional characterization methods, all nanoporous structures have been reconstructed by FIB-nanotomography, clearly exposing the morphological diversity of the three systems with transversal porosity when visualized and color-mapped in 3D by a special numerical tomography tool. It is for the first time that a practical significance of these materials has been explored in the scope of self-supported anodic catalysts, suggested throughout this study as an alternative to the unstable Pt-based carbon-supported commercial composites. Half-cell electrochemical tests demonstrated an excellent catalytic activity towards the oxidation of a borane fuel and superior stability of functioning in the alkaline environment compared to Pt/C catalyst. In similar conditions, nanoporous Co showed higher efficiency but lower stability, attributed to the complex chemical composition of its porous scaffold. Nanoporous Cu has not been exploited for the mentioned applications due to its high brittleness and is suggested to go through improvements on the step of precursor synthesis. Lastly, while exploring the mechanical behavior of the NPMs by instrumented nanoindentation of different nanoporous Ag substrates, a load-displacement dependence phenomenological model has been suggested for this class of metallic materials

Dans les biotechnologies, les particules magnétiques sont de plus en plus utilisées dans diverses applications, de thérapies ou de diagnostics : « Drug delivery », traitements de cancers, IRM, etc. Inscrit dans le démarrage d'un nouvel axe de recherche du laboratoire SPINTEC, le travail de thèse a mis en œuvre des particules élaborées par une approche de type «top-down». Les matériaux utilisés sont antiferromagnétiques synthétiques (SAF). L'intérêt des nanoparticules magnétiques dans les domaines biomédicaux a été présenté en introduction. L'étude réalisée à SPINTEC a tout d'abord consisté à caractériser et modéliser différents matériaux SAF, et développer les procédés technologiques permettant la fabrication des particules. Ensuite le travail a été consacré à l'observation et la modélisation du comportement des particules en suspension dans un champ magnétique appliqué. Un modèle des phénomènes d'autopolarisation et d'agglomération des particules SAF a permis de déterminer une susceptibilité seuil en dessous de laquelle les particules restent dispersées en solution, évitant les phénomènes d'agglomération. / In the biotechnologies, the magnetic particles are more and more used in different applications, therapy or diagnostics such as: drug-delivery, cancer treatments, MRI …This thesis, which marks the beginnings of a new research area at SPINTEC laboratory, implemented particles made by an approach top-down. The used materials are synthetic antiferromagnetic (SAF). The interest for the magnetic nanoparticles was shown in the introduction. The study made at SPINTEC was first of all the characterization and modeling of different SAF materials, and the development of the technological processes for making the particles. Then the work was devoted to observation and modeling of the behavior of the particles in suspension in the applied magnetic field. A model of self-bias and agglomeration of SAF particles allowed to determine a susceptibility threshold below which the particles remain dispersed in solution, avoiding the agglomeration phenomena.

Nous avons utilisé une nouvelle méthode de photochimie laser pour la fabrication de microstructure 3D à base de nanofils métalliques. Les nanofils sont obtenus par photoréduction laser de sels métalliques dissous dans une matrice polymère. La réaction chimique est initiée par absorption à deux photons de photoréducteurs uniquement au point focal du laser. La géométrie des microstructures est obtenue en déplaçant le point focal du laser selon des trajectoires adaptées. Dans cette thèse nous avons étudié les propriétés optiques de structures à base de nanofils d'argent. Un nanofil qui occulte une onde plane crée un champ diffracté qui présente des trajectoires paraboliques de maximas et minimas d'intensité. Les calculs de Rayleigh-Sommerfeld montre que cette figure de diffraction typique correspond à l'inférence entre l'onde plane incidente et les ondes sphériques qui sont générées par diffraction sur les deux bords du nanofil. Lorsque les nanofils sont organisés en ensemble de nanofils parallèles distants de quelques microns, les champs diffractés donne des distributions d'intensité qui sont similaires à celles de microlentilles cylindriques. Dans ce cas l'interférence entre l'onde incidente et les ondes sphériques diffractées par les nanofils créée une distribution de phase quadratique qui est à l'origine de la focalisation. La fabrication de réseaux 2D de nanofils permet d'obtenir des réseaux de microlentilles très denses (10000x10000 DPI, dots per inch) qui ne sont pas réalisable avec des microlentilles réfractives. La possibilité de fabriquer des géométries 3D permet de manipuler les trajectoires des maxima et minima d'intensité pour obtenir de nouvelles fonctions diffractives à l'échelle microscopique. Par exemple, la fabrication de nanofils décalés dans l'espace nous a permis de développer un nouveau type de microdisposif optique qui permet la séparation spatiale des couleurs rouge, vert et bleu à l'échelle microscopique. / We used a novel method of laser photochemistry to fabricate 3D microstructures based on metallic nanowires. Nanowires are obtained by laser photoreduction of metallic salt dissolved in a polymer matrix. The chemical reaction is initiated by the two-photon absorption of a photoreductor only at laser focal point. The geometry of microstructures is obtained by moving laser focal point according to suitable trajectories. In this thesis, we have studied the optical properties of of structures based on silver nanowires. A nanowire that stops a plane wave creates a diffracted field which shows parabolic trajectories of maxima and minima intensities. Calculations based on Rayleigh-Sommerfeld diffraction show that this typical figure corresponds to interferences between the incident plane wave and spherical waves generated at the two nanowire edges. When nanowires are arranged into set of parallel nanowires, spaced by a few microns, their diffracted fields generate intensity distributions similar to those of cylindrical refractive microlenses. In that case interference between the incident wave and the diffracted wave leads to a quadrative phase which is the at origin of focalisation. Manufacturing 2D arrays of nanowires allow to achieve very dense arrays of microlenses (10000x10000 DPI, dots per inch), which are impossible to make with refractive microlenses. The possibility to make 3D geometry permit to manipulate maxima and minima intensity trajectories for new diffractive functions at the microscopic scale. For instance manufacturing nanowires shifted in space leads to a new type of optical microdevice that allows the spatial separation of colors red, green and blue at microscopic scale.

Au sein de la Thématique Nanoform, Axe Nanosciences, ICB, nous réalisons la croissance de nanostructures hybrides 1D, 2D et 3D à base de TiO2 par MOCVD. Nos travaux portent sur l’aspect théorique de la formation de ces nanostructures (modèles de croissance et cinétique, structure et texture) et l’étude des propriétés photoélectriques, optiques, physicochimiques ainsi que sur le développement d’applications de ces structures dans le domaine de la physique (random laser), de la photocatalyse, de l’énergie (cellules solaires). Sous certaines conditions parfaitement maitrisées, nous obtenons des structures à base de TiO2, étonnamment originales jamais décrites dans la littérature : feuilles, tiges, canaux, creusets, nanostructures originales COHN (COaxiales Heterostructures Nanowires) Nos travaux précédents ont permis d’identifier l’origine probable de ces structures : utilisation de catalyseurs ferromagnétiques en présence d’un chauffage à induction. L’étude de ce mécanisme est totalement nouvelle. / Within the Nanoform Theme, Ax Nanosciences, ICB, we realize the growth of 1D, 2D and 3D hybrid nanostructures based on TiO2 by MOCVD. Our work deals with the theoretical aspect of the formation of these nanostructures (growth and kinetic models, structure and texture) and the study of photoelectric, optical and physicochemical properties as well as the development of applications of these structures in physics (random laser), photocatalysis, energy (solar cells). Under certain perfectly controlled conditions, we obtain original TiO2 structures not yet described in the literature: membranes, rods , canals, crucibles, COHN (COaxiales Heterostructures Nanowires). Our previous work made it possible to identify the probable origin of these structures: use of ferromagnetic catalysts in the presence of induction heating. The study of this mechanism is totally new.

Cette thèse porte sur l’étude d’un système modèle de nanoparticules (NP) d’or supportées sur TiO2(110) en vue de mieux comprendre la corrélation entre propriétés morphologiques, structurales et de résonances plasmoniques locales (LSPR) des NP. Des mesures in situ de diffusion de rayons X en incidence rasante à grands angles (GIXD) et à petits angles (GISAXS) et de spectroscopie de réflectance différentielle de surface (SDRS) ont été réalisées pendant la croissance des NP déposées par épitaxie par jet moléculaire en ultra-vide.L’étude du LSPR par SDRS, avec décomposition des signaux en polarisation s et p et réalisée simultanément avec le GISAXS, a permis de relier la variation de la fréquence de résonance des NP à celle de leur diamètre moyen, dans la gamme de 2 à 6 nm.De manière générale, la position du pic plasmonique dérive vers le bleu avec la diminution de la taille des NP mais avec un comportement qui dépend de l’état de surface des substrats. Dans un cas, les polarisations s et p suivent la même variation alors que dans l’autre non. Cet effet a été analysé en décomposant la fréquence plasmon en modes dipolaires parallèle (A//, qui contribue aux deux polarisations s et p) et perpendiculaire (Az, qui contribue à la seule polarisation p) à la surface.Lorsque A// domine (positions des pics plasmoniques s et p identiques, pour une taille donnée de NP), la position en longueur d’onde du pic plasmonique dérive vers le bleu avec la diminution de la taille de la même façon que pour des NP enterrées. Cet effet de taille intrinsèque, d’origine quantique, peut être décrit par un effet de spill out des électrons s qui débordent au-delà du rayon de la NP et de la diminution de l’écrantage des électrons d à la surface de la NP. L’interaction avec le substrat provoque un décalage global de la fréquence de vibration vers le rouge par rapport aux NP d’or dans le vide.Pour l’autre échantillon (s 6 = p), la contribution du mode A z devient notable au-dessous de 5 nm. L’influence du substrat sur ce mode est différente, son effet augmente quand la taille diminue, contrecarrant l’effet de taille intrinsèque Dans ce cas, la dérive de la position du LSPR vers le bleu avec la diminution de la taille est plus lente en polarisation p qu’en polarisation s.Ces comportements sont à relier aux mesures de GIXD, réalisées en fin de croissance, qui ont montré des épitaxies différentes dans les deux cas. Dans l’un (s = p), une grande partie des NP sont orientées avec la direction [110] de l’or alignée le long des rangées d’oxygène pontant de TiO2(110) alors que dansl’autre (s /= p) les NP présentent un fort désordre orientationnel attribué à une surface avec un très grand nombre de marches. / This thesis concerns the study of supported gold nanoparticles (NP) onTiO2(110) as a model system. The aim is improving the comprehension ofthe correlation between morphological and structural properties andlocal surface plasmon resonances (LSPR) of the NP.In situ measurements during NP growth were performed by grazingincidence X-ray diffraction (GIXD), grazing incidence small angle X-raydiffusion (GISAXS) and surface differential reflectance spectroscopy(SDRS). NP were deposited by molecular beam epitaxy in ultra-high vacuum.Simultaneous study of LSPR phenomena by SDRS and GISAXS allowed thedescription of resonance frequency evolution with the NP mean diameterincrease from 2 to 6 nm.Typically, position of the plasmon peak in both p and s measuredpolarizations is found to blue-shift when NP size decreases, butdetailed behavior is influenced by TiO2(110) surface state.At the same NP dimension, in one case plasmon pics position is the samefor both s and p polarization, whereas in the second studied sample theyare different, but only in the small size range (diameter<5nm). Thisphenomenon was analyzed thanks to the decomposition of plasmonexcitation into parallel (A//, contributing to both s and p signal) andperpendicular (Az, contributing only to p polarization) modes withrespect to the surface.When A// dominates (same peak positions for s and p polarizations at thesame NP mean diameter) the observed blue-shift with size decrease isvery close to that reported in literature for embedded Au NP. Thissuggests that the underlying quantum size effect, due to s-electronsspill-out and diminishing of d-electrons screening for surface atoms, isan intrinsic property of the NP. Interaction with the substrate inducesa global red-shift compared to NP in vacuum.In the other case (s /= p for sizes smaller than 5 nm), Az contributionin noticeable. Substrate influence on this mode is different, its effectincreases as size decreases, countering the intrinsic size effect.Blue-shift with size decrease is slowed down in p polarization comparedto the s one. These results were linked to GIXD measurements performedafter NP growth. They show epitaxial differences between the two studiedcases. In the former (p=s), a fair amount of NP is oriented such thatgold [110] direction is aligned with the TiO2(110) surface bridgingoxygen arrays. In the second case (p/=s), NP show a strong orientationaldisorder, possibly due to the presence of a large amount of steps on theTiO2(110) surface.

Le confinement quantique dans le silicium, sous forme de boîtes quantiques de silicium de diamètre 5 nm, permet de contrôler le bandgap et donc l'émission de lumière. Cette ingénierie du bandgap des nanocristaux de silicium est utile pour les applications photovoltaïques avancées et présente l'avantage de conserver la compatibilité avec les technologies silicium existantes. Ces boîtes quantiques peuvent aider à réduire les pertes par thermalisation dans une cellule solaire homo-jonction. Ce travail se concentre sur la fabrication à grande échelle des nanocristaux de silicium dans SiO2 en utilisant le Dépôt Chimique en Phase Vapeur assisté par Plasma (PECVD), suivi d'un recuit à haute température. Des monocouches sont comparées avec des multicouches pour les propriétés morphologiques, électriques et optiques et des dispositifs avec ces différents couches sont comparés. Dans le cas d'une structure monocouche, l'épaisseur de la couche contrôle l'organisation des nanocristaux et permet de mettre en évidence l'amélioration de la conductivité électrique, avec cependant une réponse optique faible. Les multicouches montrent un bandgap du Si augmentée et controlee, avec une meilleure absorption dans la gamme bleu-vert visible, accompagnée d'une conductivité électrique faible. L'amélioration de ces propriétés optiques est un signe prometteur pour une potentielle intégration photovoltaïque. / Quantum confined silicon, in the form of silicon quantum dots of diameters 5 nm or less, has the property of bandgap control and light emission. This bandgap engineering gives silicon quantum dots applications in novel photovoltaic devices, while maintaining compatibility with existing silicon technologies. These dots can help reduce lattice thermalisation losses in a single-junction solar cell. This work focusses on the large scale fabrication of silicon quantum dots in SiO2 using Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD), followed by high-temperature annealing. Thick single layers are compared with multilayers for morphological, electrical and optical properties. Devices with these layers are compared with different electrode materials. Film thickness dependent organization of dots is observed in thick single layer structures which demonstrate improved electrical conductivity, but poor optical response. Multilayer films demonstrate augmented and controlled Si bandgaps and improved absorption in the blue-green visible range, accompanied by poor electrical conductivity. The improved optical properties are a promising sign for any potential photovoltaic integration.

Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés expérimentales des polaritons unidimensionnels dans les microfils de ZnO dans le but d'étudier le régime de dégénérescence quantique des polaritons à haute température et en régime de confinement de basse dimensionnalité. ZnO est en effet un matériau semiconducteur à grand gap dans lequel l'exciton bénéficie d'une très forte énergie de liaison qui garantit leur stabilité à température ambiante. D'autre part, la géométrie en "fil" de section hexagonale et de diamètre micrométrique confine les modes photoniques et les rend unidimensionnels. On montre que l'interaction entre l'exciton et ces modes photoniques est en régime de couplage fort, et que les polariton-excitoniques qui en résultent sont eux aussi en régime de confinement unidimensionnel. Cette thèse propose une étude détaillée de la physique de ces polaritons 1D. Dans un premier temps, on démontre que le régime de couplage fort unidimensionnel est conservé jusqu'à température ambiante avec une très grande énergie de Rabi de 300 meV pour une largeur de raie typique 75 fois plus faible. Cette faible largeur de raie, même à température ambiante, est une conséquence inattendue de la grande énergie de Rabi en comparaison de l'énergie maximum des phonons dans ZnO. Cet effet isole très efficacement les polaritons des vibrations thermiques du réseau. Nous nous sommes intéressés aussi à une structure similaire: les microfils de GaN. Dans ces fils, on profite d'une zone fortement dopée pour comparer expérimentalement le spectre en régime de couplage faible et en régime de couplage fort dans le même fil. Nous avons ensuite étudié les propriétés des gaz de polaritons dans les microfils de ZnO sous forte excitation dans le but d'atteindre le régime de dégénérescence quantique 1D. Nous démontrons qu'un régime de laser à polaritons est atteint à basse température en régime de couplage fort dans une situation inédite où les polaritons sont à 97% excitoniques. Cette propriété est comprise grâce à une étude détaillée des propriétés de relaxation des excitons vers les états de polaritons en régime de faible et forte excitations. Cette thèse donne les bases de la compréhension des polaritons unidimensionnels dans les microfils de ZnO. Les propriétés observées montrent que les microfils de ZnO sont particulièrement adaptés à l'étude des gaz de polaritons dégénérés 1D à haute température. / In this thesis, we have studied the experimental properties of one-dimensional polaritons in the ZnO microwires in order to study the quantum degenerate regime in a one-dimensional polariton gas at high temperature. ZnO is a wide gap semiconductor material in which the exciton is stable at room temperature thanks to its high binding energy. The "wire" geometry with a micrometric scale hexagonal cross-section results in a one-dimensional confinement of the light. The ZnO excitons and these photonic modes are in the strong coupling regime resulting in new light-matter eigenstates called exciton-polaritons which are, as well, in the one-dimensional confinement regime. This thesis provides a detailed study of the Physics of these 1D polaritons. As a first step, we demonstrate that the one-dimensional strong coupling regime is preserved up to room temperature with a very high Rabi splitting of 300 meV for a typical linewidth 75 times smaller. This small linewidth, even at room temperature, is an unexpected consequence of the high Rabi energy compared to the maximum phonon energy in ZnO. This effect efficiently isolates the polaritons from the thermal fluctuations of the lattice. We have studied as well a similar structure: the GaN microwires. Because of a highly doped part in these wires, it is possible to compare experimentally the spectrum in weak and strong coupling regime in a single wire. We have studied the properties of such polariton gas in ZnO microwires in the high excitation regime in order to reach the 1D quantum degeneracy limit. We have demonstrated that the polariton lasing regime is obtained at low temperature in the strong coupling regime and that it exhibits an unusual situation: the lasing polariton mode is made up of 97% of exciton. This property is understood thanks to a detailed study of the relaxation properties of the excitons towards the polariton states below and above the polariton lasing threshold. This thesis provides the basics to understand the one-dimensional polaritons in ZnO microwires. The properties described in this thesis demonstrate that the ZnO microwires are particularly suitable for the study of 1D degenerate polariton gas at room temperature.