Ce travail présente la caractérisation des propriétés d'absorption de lumière par des nanofils uniques (NF) de silicium en utilisant la spectroscopie de photocourant, ainsi qu'une étude préliminaire des processus d'incorporation des dopants et de réalisation de jonction dans les NFs. Tout d'abord, nous commençons par décrire les méthodes de croissance utilisées pour synthétiser des NFs actifs pour la génération de photocourant, avec l'utilisation du chlorure d'hydrogène dans les procédés classiques de croissance CVD catalysée or de fils dopés. Cette méthode offre des structures très faiblement coniques, élargit les températures de procédé, permettant en particulier d'incorporer très efficacement le bore, avec des densités d'accepteurs ionisés allant jusqu'à 1.8E19 cm-3, tout en inhibant la diffusion d'or depuis le catalyseur. L'attention est ensuite portée à la fabrication de jonctions, l'étude de ses caractéristiques électriques, ainsi que sur l'influence de paramètres morphologiques (rayon, position axiale) du fil sur sa résistivité apparente. Dans une seconde partie, nous étudions la réponse en photocourant d'un jeu de NFs actifs de différents diamètres et corrélons nos résultats à un traitement analytique de l'absorption des photons à l'échelle du nanoobjet dans le cadre de la théorie de Mie adaptée au cas cylindrique. L'accord expérience-théorie est très bon pour les deux polarisations (TE-TM). Des résonances dans le spectre d'absorption sont mises en évidence, correspondant à l'excitation de modes propres du fil, et associées à des sections efficaces d'absorption pouvant être supérieures à l'unité. Dans une dernière partie, nous adaptons la stratégie de dépôt antireflet utilisée dans les cellules solaires pour améliorer le couplage de la lumière incidente aux NFs. Pour cela, des dépôts de SiO2 et Si3N4 sont réalisés sur des NFs via la technique de PECVD, nous fournissant par là-même un jeu de structures pourvues d'un dépôt de diélectrique à haute conformité. Se basant sur les spectres d'absorption ainsi acquis, nous obtenons les gains relatifs d'absorption induits par le dépôt de diélectrique et les comparons aux calculs analytiques développés spécifiquement pour obtenir l'absorption dans le cœur seulement du cylindre coaxial, ceci nous permettant également d'estimer la partie du rayonnement incident absorbé dans la coquille diélectrique. / In this work we present the characterization of the light absorption properties of single silicon NWs (NW) using photocurrent spectroscopy along with the preliminary work done at the wire scale to characterize the dopant incorporation and the fabrication of junctions. First, we start with a description of the growth methods used to synthesize active NW's for photocurrent generation, with results obtained on the use of hydrogen chloride in the CVD VLS growth of doped NWs. This method offers highly straight structures, widened process temperatures allowing in particular very efficient boron incorporation—ionized acceptors densities up to 1.8E19 cm-3—and inhibited gold diffusion, thereby greatly reducing elemental contamination from the catalyst. Focus is made on the junction formation, the study of its electrical characteristics and the influence of morphological parameters—radius, axial position—to obtain the desired doping properties. In a second part, we present the photocurrent response of a set of different diameter active Si NWs and correlate our results with an analytical treatment of the photon absorption at the nanoscale using the Lorentz Mie theory adapted to the cylindrical geometry under study. Very good agreement is found between experiment and theory for both polarization spectra (TE-TM). Absorption resonances are resolved, corresponding to leak resonant modes, and can display absorption efficiencies higher than one, making downscaling an efficient tool to increase energy harvesting capabilities. In a last part, we adapt the antireflective coating strategy used in solar cells to improve the coupling of the incoming light to Si NWs. For this, SiO2 and Si3N4 films are deposited on NWs using PECVD, providing a set of structures coated with a high level of conformity. Based on the new set of spectra we obtain the relative gain curves and compare them with analytical calculations specifically derived for getting the absorption in the core of coaxial nanocylinders only, which allows estimating the magnitude of the absorbed energy in the dielectric shell.

Le silicium est reconnu comme étant un mauvais émetteur de lumière à cause de son gap indirect. Diverses stratégies ont été développées pour améliorer son rendement d'émission, le Si constituant le matériau de choix pour la photonique. Ce manuscrit présente l'élaboration et la caractérisation de matériaux originaux à base de silicium afin de proposer des solutions alternatives pour améliorer les propriétés d'émission de lumière du Si. Ce travail est divisé en 4 parties avec tout d'abord une revue de l'état de l'art de l'émission de lumière dans le Si et les bases sur les mécanismes de recombinaison dans le Si. Une seconde partie se concentre sur l'élaboration et l'étude de dispositifs électroluminescents à base de Si comportant un réseau de dislocations enterrées un niveau d'une jonction PN obtenu par collage moléculaire. L'émission de lumière située vers 1,1 et 1,5 µm (1,1 et 0,8 eV) est attribuée à la recombinaison des porteurs sur les états piège induits par des précipités de bore et d'oxyde dans le voisinage de dislocations (E^phonon_Bore vers 1.1eV et Dp~0.8eV) et des états de défauts localisés à l'intersection du réseau carré de dislocations vis (D1~0.8eV). Une troisième partie traite de l'élaboration et des propriétés optique d'ions Er3 + couplés avec des nanostructures de Si dans des films minces de SRO (Silicon-Rich Oxide) obtenus par co-évaporation de SiO et d'Er. Dans cette matrice, l'efficacité d'excitation indirecte de l'Er à 1,5 µm via les nanostructures est démontrée par la mesure de sections efficaces effectives d'excitation de l'Er entre 2x10-16 cm2 et 5x10-15 cm2 en fonction du flux d'excitation et des paramètres d'élaboration. Le principal résultat est la forte diminution avec la température de recuit de la fraction d'ions Er3+ émetteurs susceptible d'être inversée. Des expériences EXAFS révèlent que ce comportement est en corrélation avec l'évolution de l'ordre chimique local autour des atomes d'Er. Dans une dernière partie est présentée l'élaboration de nanostructures de Si de type nanofils cœur-coquille Si/SiO2. Ces structures cœur-coquille sont obtenues par trois méthodes différentes. Les structures obtenues par dépôt d'oxyde sur la surface de nanofils de silicium CVD catalysées avec de l'Au présentent une émission autour de 500 nm efficace à température ambiante due à la recombinaison des porteurs photo-générés au niveau des états de défauts dans la couche d'oxyde et à l'interface Si/SiO2. L'intensité de PL collectée est de plus d'un ordre de grandeur supérieure à celle mesurée sur des films minces de SiO2 similaires déposés sur des substrats de Si. En outre, la passivation des nanofils de Si CVD par un procédé d'oxydation thermique permet de neutraliser les états de surface qui dominent dans de telles structures. La mesure des vitesses de recombinaison de surface semble indiquer que ces nanofils ainsi passivés présentent des propriétés électroniques de volume similaires à celles du Si standard de microélectronique. Enfin, une nouvelle méthode pour l'élaboration in situ de nanofils cœur-coquille Si/SiO2 basée sur l'évaporation d'une source solide SiO avec l'Au et le Cu comme catalyseurs est détaillée. La croissance des fils catalysés par l'Au se produit dans le mode de croissance VLS (Vapor-Liquid-Solid comme en CVD) donnnat des nanofils présentant un cœur de Si cristallin et une coquille amorphe d'oxyde. En revanche, la croissance des nanofils catalysée par le Cu semble se produire préférentiellement à plus basse température en mode VSS (Vapeur-Solide-Solide) expliquant pourquoi ces NFs présentent une forte densité de défauts cristallins dans la cœur de Si contrairement aux fils catalysés Au. / Silicon is known as a poor light emitter due to its indirect band gap. Various strategies have been developed to overcome its poor emission efficiency since it is the material of choice for photonics. In this manuscript are detailed the elaboration and characterization of original silicon-based materials in order to propose alternatives solutions to improve Si light emission properties. This work is divided in 4 parts with a first one describing the state of the art of light emission in Si and the basics of recombination mechanisms in Si. A second part focuses on the elaboration and study of electroluminescent devices based on bulk Si with a buried dislocation network at a PN junction obtained by wafer bonding. The light emission near 1.1 and 1.5 µm (1.1 and 0.8 eV) is attributed to the recombination of carriers on trap states induced by boron and oxide precipitates in the vicinity of dislocations (E^phonon_Bore near 1.1eV and Dp~0.8eV) and defects traps at the intersection of the square network of screw dislocations (D1~0.8eV). In a third part is showed the elaboration and the optical properties of Er3+ ions coupled with Si nanostructures in Si-Rich Silicon Oxide (SRO) thin films obtained by co-evaporation of SiO and Er. We demonstrate the efficient indirect excitation of Er at 1.5 µm with high effective cross sections between 2x10-16 cm2 and 5x10-15 cm2 as a function of the excitation flux and the elaboration parameters. The main result is the drastic decrease of the number of Er3+ emitting ions coupled to Si with the annealing temperature. EXAFS experiments revealed that this behavior is correlated with the evolution of the local chemical order around Er atoms. In a last part is presented the elaboration of Si nanostructures based on core-shell Si/SiO2 nanowires. These core-shell structures are obtained by three different methods. Core-shell nanowires obtained by oxide deposition on the surface of CVD Au-catalyzed Si nanowires exhibit an efficient room temperature emission around 500 nm due to the recombination of photo generated carriers in defects states in the oxide layer and at the Si/SiO2 interface. The collected PL intensity is more than one order of magnitude higher than similar SiO2 thin films deposited on Si substrates. Moreover, the passivation of CVD-growth Si nanowires by a thermal oxidation procedure allows neutralizing the surface states which are predominant in such structures. As a result, the measurement of surface recombination velocities seems to indicate that such passivated nanowires present similar volume electronic properties than standard microelectronic bulk Si. Finally, a new method for the elaboration of in situ core-shell Si/SiO2 nanowires based on the evaporation of a solid SiO source with Au and Cu as catalysts is presented. The Au-catalyzed growth occurs in the VLS mode (Vapor-Liquid-Solid like in CVD-growth) leading to the growth of nanowires with a crystalline Si core surrounded by an amorphous oxide shell. But Cu-catalyzed nanowires growth seems to appear preferentially at lower temperatures in the VSS (Vapour-Solid-Solid) mode explaining why these nanowiress exhibit a high density of crystalline defects in the Si core compared to Au-catalyzed wires.

Depuis les années 1990, l'électronique portable connait un véritable essor. De plus en pluscomplexes, ces appareils requièrent des besoins énergétiques croissants en termes de puissance,d'autonomie et de durée de vie. De nouveaux dispositifs de stockage pouvant être assemblés au plusproche du circuit micro-électronique et dans l'idéal directement sur la puce doivent donc être développés.Les micro-supercondensateurs représentent une solution prometteuse. Constitués principalementd’électrodes en carbone ou oxydes métalliques, leur fabrication sur les puces de micro-électroniques restedifficile. Cette intégration serait facilitée avec des électrodes à base de silicium. L’objectif de cette thèse estl'élaboration de micro-supercondensateurs constitués d’électrodes en silicium nanostructuré. Leursperformances peuvent être améliorées en travaillant à la fois sur les électrodes et sur l’électrolyte.L’électrode doit être stable en présence de l’électrolyte et avoir une grande surface développée.L’électrolyte doit permettre d’atteindre une tension élevée. Ce travail démontre que seules les électrodes ensilicium fortement dopées avec un traitement de surface adapté ont un comportement capacitif. La surfacedes électrodes est augmentée via la croissance de nanostructures par CVD catalysée par de l’or. L’étude del’influence des paramètres de croissance sur la morphologie des nanostructures a permis d’optimiser leprocédé pour obtenir des nano-arbres fortement dopés longs, denses, hyperbranchés et avec plusieursgénérations de branches ont pu être obtenus. L’utilisation du chlorure d’hydrogène permet de contrôlerprécisément le dopage des nanofils. Les paramètres clés des nanostructures pour obtenir de meilleurescapacités ont été identifiés : dopage, longueur, densité, branches. Les performances des microsupercondensateurs(Tension maximale, Energie, Puissance, Stabilité) avec des électrodes en siliciumnanostructurée ont été évaluées dans différents électrolytes. L’utilisation de liquide ionique (EMI-TFSI)permet d’augmenter la tension maximale et donc l’énergie et la puissance. Des pistes d’amélioration ont étéétudiées : traitement de surface, nouvelles architecture de dispositifs. La compatibilité des procédés utilisésavec ceux de micro-électronique a aussi été vérifiée. / Since 1990, portable electronics is a thriving field. Devices gather more and more functions and thusrequire more and more efficient energy sources in terms of power, autonomy and lifespan. Such sourcesshould be fixed as close as possible from the micro-electronic circuit, ideally directly on chip. Microsupercapacitorsare a promising solution. Due to the electrodes materials (carbon or metallic oxide), theirfabrication directly on chip is still difficult. It should be easier with silicon based electrodes. The aim of thiswork is the elaboration of micro-supercapacitors with nanostructured silicon based electrodes. Theirperformances can be improved by working on the electrode and the electrolyte. The electrode must bestable in the electrolyte and have a high developed surface. The electrolyte must lead to high voltage. Thiswork demonstrates that only highly doped silicon electrodes with an adapted surface treatment have acapacitive behavior. The electrode surface can be increased via nanostructures growth of by gold-catalyzedCVD. Thanks to the study of the influence of growth parameters on the nanostructures morphology, theprocess has been optimized to get highly doped, dense, long and hyperbranched nano-trees with severalbranches generations. Their doping level is precisely monitored thanks to the use of HCl. Doping, length,density and branches are the key parameters to improve the electrode capacity. Micro-supercapacitorsperformances (maximum voltage, energy, power, stability) with such electrodes have been evaluated inseveral electrolytes. Higher voltage, and thus higher energy and power can be reached in ionic liquids.Several improvement trails are investigated: surface treatment, new device design. Our processcompatibility with micro-electronics one has been checked.

Les composants nano électroniques ont fait l'objet d'intérêt marqué, au sein de la communauté des concepteurs de circuits radiofréquence au cours de ces dernières années. Non seulement ils peuvent présenter des caractéristiques intéressantes, mais ils offrent la perspective d'améliorations de la miniaturisation des composants les plus avancés. Les nanotubes de carbone et les nanofils conducteurs sont attendus comme pouvant potentiellement constituer des blocs utilisables dans les futurs circuits aux très faibles dimensions. Les conducteurs métalliques sont utilisés depuis longtemps pour réaliser des composants passifs dans les circuits intégrés radio fréquence, cependant très peu de travaux ont été menés sur des conducteurs ayant des dimensions nanométriques et fonctionnant dans le domaine millimétrique. L'objectif de cette thèse est d'exploré les propriétés RF de conducteurs métalliques aux dimensions nanométriques et la possibilité de les intégrés dans des circuits utilisant des technologies CMOS. Dans cette thèse, des lignes de transmission et des antennes intégrées sur puce, utilisant des nanofils conducteurs, ont été conçues et réalisées en utilisant un processus de fabrication "top-down". Les caractéristiques en terme de transmission de signal ont été observées expérimentalement dans le domaine millimétrique par la mesure de paramètres S. Deux types de lignes ont été conçus : des lignes micro-ruban de faible épaisseur et des lignes coplanaires. Les caractéristiques en fonction de la fréquence du signal d'excitation ont été analysées. Différents paramètres comme la largeur, l'épaisseur, le nombre de nanofils et la distance entre les nanofils ont été étudiés. De plus, un modèle de propagation basée sur des ondes quasi-TEM a été proposé pour obtenir une compréhension fine du comportement physique des nanofils. Par ailleurs, une étude approfondies concernant les techniques d'épluchage (de-embedding) a été menée afin d'améliorer la précision des mesures. En parallèle, des antennes dipôle et IFA, utilisant des nanofils, ont été réalisées pour tester la transmission sans ligne de propagation. Différentes dimensions de conducteurs et différents types de substrats ont été utilisés pour étudier leurs propriétés et obtenir les meilleures performances. / Nano-electronic devices have attracted much attention for the radio frequency engineering community in recent years. They not only exhibit compelling characteristics but show promises to enhance the miniaturization of modern devices. Carbon nanotubes and conducting nanowires are believed to be potential building blocks for ultra-small chip of the future. Metallic wires have long been utilized as the passive components in the RF integrated circuit but there are very few studies on their nanoscale counterpart particularly up to millimeter-wave frequencies. The focus of this thesis is to explore RF properties of metallic nanowires and their potentials to be integrated in CMOS communication technology. In this thesis, transmission lines and on-chip antennas integrated with metallic nanowires were developed enabled by top-down fabrication processes. The signal transmission properties of such devices were characterized well into the mm-wave regime based on two-port S-parameters measurement. Two types of nano-transmission lines were designed: thin film microstrip lines and coplanar waveguides. Their transmission characteristics as a function of frequencies were analysed. Different parameters like the linewidth, thickness, number of nanowires, and the distance between the wires were examined. In addition, a quasi-TEM propagation model was proposed to provide a further insight into the physical behaviours of the nanowires. Moreover, a comprehensive study regarding the de-embedding techniques was carried out in order to improve measurement accuracy. Meanwhile, on-chip dipoles and planar meander-line inverted–F antenna were implemented to test the wireless signal transmission of the metallic nanowires. Various wires dimensions and substrates were designed to exploit their characteristics thus facilitating better transmission.

Les systèmes intelligents sont le résultat combiné de différentes avancées en microélectronique et en particulier de l’augmentation des puissances de calcul, la diminution des consommations d’énergie, l'ajout de nouvelles fonctionnalités et de moyens de communication et en particulier à son intégration et application dans notre vie quotidienne. L'évolution du domaine des systèmes intelligents est prometteuse, et les attentes sont élevées dans de nombreux domaines : pour la surveillance dans l'industrie, les transports, les infrastructures et l'environnement, ainsi que dans le logement, l'électronique grand public et les services de soins de santé, mais aussi dans les applications pour la défense et l’aérospatial. Aujourd’hui, l'intégration de plus en plus de fonctions dans les systèmes intelligents les conduisent vers un problème énergétique où l'autonomie devient le principal problème. Par conséquent, il existe un besoin croissant en capteurs autonomes et sources d'alimentation. Le développement de dispositifs de récupération d’énergie et de capteurs autoalimentés est une façon de répondre à ce problème énergétique. Parmi les technologies étudiées, la piézoélectricité a l'avantage d'être compatible avec l'industrie des MEMS. De plus elle génère des tensions élevées et elle possède un fort couplage direct entre les physiques mécaniques et électriques. Parmi les matériaux piézoélectriques, les nanofils (NFs) semi-conducteurs piézoélectriques pourraient être une option prometteuse car ils présentent des propriétés piézoélectriques plus importantes et une plus grande gamme de flexion.Parmi les différents NFs piézoélectriques, les NFs de ZnO et de GaN sont les plus étudiés. A l'échelle nanométrique leurs propriétés piézoélectriques sont plus que doublées. Ils ont l'avantage d'être compatible avec l’industrie microélectronique et raisonnablement synthétisable par des approches top-down et bottom-up. En particulier, nous avons étudié la croissance par voie chimique de NFs de ZnO. Pour les utiliser correctement, nous avons étudié le comportement des NFs de ZnO. Nous avons effectué une étude analytique et des simulations par éléments finis (FEM) d'un NF de ZnO en flexion. Ces études décrivent la distribution du potentiel piézoélectrique en fonction de la force et permettent d’établir les règles d'échelle et de dimensionnement. Ensuite, nous avons développé la caractérisation mécanique par AFM du module de Young de NFs de ZnO et de GaN, puis nous avons effectué des caractérisations piézoélectriques par AFM de ces NFs pour vérifier leur comportement sous des contraintes mécaniques de type flexion. Une fois leur comportement physique compris, nous discutons des limites de notre modèle de NFs piézoélectriques en flexion et nous développons un modèle plus réaliste et plus proche des configurations expérimentales. En utilisant ce nouveau modèle, nous avons évalué le potentiel des NFs de ZnO pour les capteurs de force et de déplacement en mesurant le potentiel généré sous une contrainte, puis, sur la base d’expériences, nous avons évalué l'utilisation de NFs de GaN pour les capteurs de force en mesurant le courant au travers des NFs contraints. De même, nous avons évalué le potentiel de ces NFs pour les applications de récupération d'énergie liées aux capteurs autonomes. Pour bien comprendre la problématique, nous avons étudié l’état de l’art des nano générateurs (NG) et leurs architectures potentielles. Nous analysons leurs avantages et inconvénients, afin de définir une structure de NG de référence. Après une brève étude analytique de cette structure pour comprendre son fonctionnement et les défis, nous avons effectué plusieurs simulations FEM pour définir des voies d'optimisation pour les NG utilisé en mode de compression ou de flexion. Enfin la fabrication de prototypes et leurs caractérisations préliminaires sont présentées. / Smart systems are the combined result of different advances in microelectronics leading to an increase in computing power, lower energy consumption, the addition of new features, means of communication and especially its integration and application into our daily lives. The evolution of the field of smart systems is promising, and the expectations are high in many fields: Industry, transport, infrastructure and environment monitoring as well as housing, consumer electronics, health care services but also defense and space applications. Nowadays, the integration of more and more functions in smart systems is leading to a looming energy issue where the autonomy of such smart systems is beginning to be the main issue. Therefore there is a growing need for autonomous sensors and power sources. Developing energy harvesters and self-powered sensors is one way to address this energy issue. Among the technologies studied, piezoelectricity has the advantage to be compatible with the MEMS industry, it generates high voltages and it has a high direct coupling between the mechanic and electric physics. Among the piezoelectric materials, semiconductor piezoelectric nanowires (NWs) could be a promising option as they exhibit improved piezoelectric properties and higher maximum flexion.Among the different piezoelectric NWs, ZnO and GaN NWs are the most studied, their piezoelectric properties are more than doubled at the nanoscale. They have the advantage of being IC compatible and reasonably synthesizable by top-down and bottom-up approaches. Especially we studied the hydrothermal growth of ZnO NWs. In order to use them we studied the behavior of ZnO NWs. We performed analytical study and FEM simulations of a ZnO NW under bending. This study explains the piezoelectric potential distribution as a function of the force and is used to extract the scaling rules. We have also developed mechanical AFM characterization of the young modulus of ZnO and GaN NWs. Following we perform piezoelectric AFM characterization of these NWs, verifying the behavior under bending stresses. Once physics understood, we discuss limitation of our piezoelectric NWs models and a more realistic model is developed, closer to the experimental configurations. Using this model we evaluated the use of ZnO NW for force and displacement sensors by measuring the potential generated, and from experiments, the use of GaN NW for force sensor by measuring the current through the NW. But energy harvesting is also necessary to address the energy issue and we deeper investigate this solution. To fully understand the problematic we study the state of the art of nanogenerator (NG) and their potential architectures. We analyze their advantages and disadvantages in order to define a reference NG structure. After analytical study of this structure giving the basis for a deeper understanding of its operation and challenges, FEM simulations are used to define optimization routes for a NG working in compression or in bending. The fabrication of prototypes and theirs preliminary characterization is finally presented.

Des nanofils de ZnSe catalysés avec de l'or ont été synthétisés pour la première fois sur pseudo-substrats de ZnSe déposé sur GaAs. La nucléation de l'or a été étuidiée en détails. Des nanoparticules d'or de diamètres homogènes ont été produites. Ces nanoparticules conduisent à la création de nanofils de diamètres de l'ordre des diamètres de Bohr des excitons dans le ZnSe et dans le CdSe. Les très basses densités de nanoparticules d'or obtenues permettent la croissance de nanofils de ZnSe dans un mode non-compétitif. La croissance a été étudiée en fonction de la variation de certains paramètres. Un rapport de flux élevé de Se:Zn~4, ainsi qu'une température aux alentours des 400C donnent lieu aux nanofils les plus droits. Les nanofils résultant de ces conditions sur ZnSe (001) s'orientent selon deux axes. La vitesse de croissance des nanofils peut être modélisée par la diffusion d'adatoms vers l'interface de croissance du nanofil. Il est démontré à l'aide d'observations RHEED que la croissance se déroule dans un mode vapeur-solide-solide (VSS), c'est à dire, avec un catalyseur à l'état solide. Une croissance dans le mode ALE produit des nanofils orientés selon un seul axe. L'incorporation de BQ de CdSe à été étudiée en détails par le biais de plusieurs techniques expérimentales. Il est possible d'obtenir des BQ de CdZnSe de quelques nanomètres de long, avec des hétérojonctions abruptes et contenant aux alentours de 50% de Cd. L'étude optique de ces BQ montre de fines raies excitoniques. L'émission de photons uniques a été mesurée sur la raie biexcitonique jusqu'à la température ambiante. À cause de la présence d'une émission discrète du substrat des nanofils, ceux-ci doivent être transférés sur un substrat non-luminescent pour les études optiques. / Growth of Au-catalysed ZnSe NWs has been successfully achieved on ZnSe peudo-substrates grown on GaAs substrate for the 1st time. Nucleation of the gold catalyst nanoparticles was studied in details. Au nanoparticles with homogeneous diameters are achieved. The nanowire diameter that results from these nanoparticles is in the range of the Bohr diameter of excitons in ZnSe and CdSe. Ultralow density achieved for Au nanoparticles makes it possible to grow nanowires in a non-competitive mode. Study of the influence of the growth parameters was done in details. A high Se:Zn~4 flux ratio and a growth temperature in the low 400C range are found to yield the straightest NWs. Homogeneous NWs with two main orientations are obtained on (001) ZnSe. The nanowire growth rate can be modeled by a kinetic mass-transport model of impinging adatoms flowing to the nanowire growth front. ZnSe NW growth was identified as taking place in the VSS mode, that is, with a solid catalyst, by in-situ RHEED observations. A growth of NWs by ALE yields only a single NW orientation. Incorporation of CdSe QDs was studied in details with numerous experimental techniques. It is possible to obtain CdZnSe QDs with a length of a few nanometers with compositionally sharp heterojunctions and a composition in Cd of about 50%. The optical study of such NWs shows sharp excitonic lines. Single photon emission on the biexciton was measured up to room temperature. A limitation comes from the fact that the NWs must be detached from the surface to be studied due to the presence of a discreet background emission originating from the substrate.

Neste trabalho se realiza a síntese e caracterização de nanofios de óxido de zinco. Adicionalmente se apresenta o processo de montagem de um dispositivo para medidas elétricas deste material. Estuda-se complementarmente o efeito do tratamento de plasma sobre as propriedades de fotoluminescência do material. Nanofios foram sintetizados pelo mecanismo vapor-líquido-sólido (VLS), utilizando ouro como catalizador e safira c-plane como substrato. As amostras foram caracterizadas utilizando microscopia eletrônica de varredura, fotoluminescência a temperatura ambiente, difração de raios X, e microscopia eletrônica de transmissão. Os nanofios obtidos têm seção transversal com formato quase hexagonal, e larguras de aproximadamente 46 nm. O comprimento deles varia de 3 a 10 μm. Os resultados de difração de raios x e microscopia eletrônica de transmissão mostram que eles são monocristalinos com rede cristalina tipo wurtzita, e com direção de crescimento no eixo c. Foram estudados os efeitos da potência de plasma de oxigênio (O2) na fotoluminescência dos nanofios a temperatura ambiente. A diferença na fotoluminescência após diferentes tratamentos de plasma de O2 mostra que a razão entre a emissão da região do band gap e da banda do visível pode ser modificada pelo tratamento. Este efeito corrobora com a hipótese de que a banda verde de luminescência está relacionada às vacâncias de zinco. A variação percentual da razão entre as duas regiões apresenta uma dependência linear com a potência do plasma. / In this work, we performed the synthesis and characterization of zinc oxide nanowires. We also report an assembly process to measure the electrical properties of this material. We study the plasma treatment effect on the photoluminescence spectra of the nanowires. Nanowires were synthesized via vapor-liquid-solid mechanism, using gold as catalyst and c-plane sapphire as substrate. The samples were characterized using scanning electron microscopy, room temperature photoluminescence, x-rays diffraction and transmission electron microscopy. Our nanowires show a quasi-hexagonal cross section, with diameters of approximately 46 nm. Their lengths ranged from 3 to 10 μm. Our results show monocrystalline wurtzite crystal nanowires with c growth direction. We also study the plasma power effect of oxygen (O2) plasma treatment on the room temperature photoluminescence spectra of the nanowires. Our results show that the deep level emission to near band emission ratio decreases with the plasma treatment. This effect supports the hypothesis that claims the green band luminescence is related to the oxygen vacancies. Furthermore, the relative ratio change depends linearly on the plasma power.

Neste trabalho, descrevemos o crescimento controlado e alinhado de nanofios de óxido de zinco (ZnO), bem como a análise das propriedades de emissão de campo (Field Emission) destes nanomateriais. Diferentes estratégias de síntese e posicionamento dos nanofios foram utilizadas para a otimização da emissão de elétrons por campo. Utilizamos diferentes técnicas de litografia no processo de crescimento de nanofios em regiões pré-definidas. Como resultado, são apresentadas diferentes condições para o crescimento de nanofios de ZnO. As caracterizações estruturais comprovam a qualidade cristalina dos fios. As emissões de elétrons por campo foram caracterizadas e seguem, em média, as previsões da teoria de Fowler-Nordheim. A amostra com melhor desempenho apresenta emissão de 50 A em um campo aplicado de ~2.6 V/μm. Os fios iniciam a emissão em 1.6 V/μm, considerando uma corrente inicial de 10-6 A. Tal investigação visa contribuir para o uso destes materiais nas tecnologias de mostradores planos (Field Emission Display - FED), de alta resolução. / In this work, we report on the controlled growth of vertically aligned zinc oxide (ZnO) nanowires, as well as their field emission properties. Different syntheses and positioning strategies concerning nanowires growth were proposed with the purpose of optimizing its electron field emission. Different lithography techniques were used in order to grow the wires on specific locations on the substrate. As result we present several conditions for the ZnO nanowires growth. The structural characterizations show the high crystal quality obtained. The field emission behavior of the wires was investigated showing that it follows the Fowler-Nordheim theory predictions. The best sample showed an emission of 50 A at ~2.6 V/μm of applied electric field. The emission threshold field was 1.6 V/μm for a current of 10-6 A. This research aims to contribute for the use of these materials in the high resolution flat panel displays technology (Field Emission Display - FED).

Ces travaux de thèse ont pour but de mettre en œuvre un capteur de plomb à base de nanostructures de silicium polycristallin. L'étude physique des structures de type nanorubans ou nanofils de silicium polycristallin a montré que ces derniers possèdent de faibles qualités cristallines mais des propriétés électriques suffisantes pour être utilisées comme éléments sensibles d'un capteur. Les nanorubans ont été fonctionnalisés par greffage spontané des sels de diazonium, capables de pré-concentrer des ions de plomb à la surface de la nanocouche. Cette fonctionnalisation a permis de détecter des traces de plomb, le capteur atteignant une limite de détection de 2.10-7 mol/L. Ces résultats montrent ainsi que la détection de plomb est possible avec des nanostructures de silicium polycristallin dont le procédé de fabrication est relativement bon marché. Le développement d'un transistor gate-all-around (GAA) à base de nanofils de silicium polycristallin est proposé dans cette thèse. Son utilisation avec deux grilles indépendantes a permis de caractériser électriquement et physiquement les nanofils de silicium polycristallin. Les caractéristiques électriques du transistor GAA sont par ailleurs encourageants pour une utilisation en tant que capteur pour diminuer la sensibilité et les limites de détection d'ions de plomb. / The aim of this research work is to implement a lead ions sensor based on polycrystalline silicon nanostructures. This material has been intensively studied by electrical and physical characterization. This study showed that structures such as polysilicon nanoribbons or nanowires have poor crystalline quality but satisfying enough electrical properties to be used as a sensor sensible elements. Nanoribbons have been functionnalized by spontaneous grafting of diazonium salts that enable lead ions trapping at the surface of these nanoribbons. Thanks to the functionnalization, sensor reached a limit detection as low as 2.10-7 mol/L. These results prove that sensing lead ions is possible thanks to low-cost polysilicon nanostructures. Development of a gate-all-around transistor based on polycrystalline silicon nanowires is proposed in this manuscript. It could lead to increase sensibility of that type of microsensors.

Nanofios semicondutores de óxido metálico apresentam enorme potencial em aplicações de nano-sensoriamento de diferentes gases e substâncias químicas e biológicas, bem como na aplicação a detectores UV-visível. Neste trabalho, desenvolvemos e aperfeiçoamos a síntese de nanofios de ZnO em substratos de safira (001), silício (111) e silício (100) sob diferentes concentrações de oxigênio usando o processo de transporte de vapor-liquido-sólido (VLS). No presente trabalho, investigamos a influência da concentração de oxigênio no crescimento de nanofios de ZnO por Espectroscopia de Fotoluminescência a temperatura variável com a finalidade de estudo da mudança na concentração de defeitos. Apresentamos, ainda, caracterizações elétricas (IxV e Ixt) de nanoestruturas de ZnO sob diferentes pressões com o objetivo de estudar os defeitos envolvidos nos processos de transportes eletrônicos. Por último, propomos o desenvolvimento de micro-contatos através da técnica de microfeixe iônico e através de nanolitografia por feixe de elétrons com a finalidade de aplicações a sensores químicos, gasosos e fotodetectores. / Metal oxide nanowires semiconductors have enormous potential in high-sensitive, fast and selective sensing applications. It may be used to selectively detect different gases, chemical and biological substances and also in UV-visible photodetectors. The described processes involve the synthesis as well as the characterization of ZnO nanowires grown on sapphire (001), silicon (100) e silicon (111) substrates by the Vapor-liquid-solid transport method. In the present work, we describe the influence of oxygen concentration introduced in the growth step measured by photoluminescence at variable temperature to demonstrate the change in defect levels emission (DLE). Furthermore, we have shown electrical characterization (IxV and Ixt) in order to study the ambient effect for transport mechanisms in ZnO nanowires. We also report the development of crucial steps in the fabrication for an upcoming ZnO nanowire sensor device (gas, chemical and photodetector) using lithography techniques such as ion micro-beam and electron beam with the purpose of fabricating metallic micro-pads.