El presente trabajo de Tesis Doctoral se centró en la preparación y en el estudio de las propiedades fotoelectroquímicas de electrodos nanoestructurados de dióxido de titanio compuestos por partículas de diferente morfología: nanopartículas, nanohilos, nanotubos, nanocolumnas y nanofibras. Por un lado se estudió la influencia de la fase cristalina (anatasa y rutilo) y por otro, la influencia del tamaño de las partículas y su morfología sobre las propiedades fotoelectroquímicas de electrodos nanoestructurados de dióxido de titanio. Para estudiar la influencia de la fase cristalina se prepararon electrodos de anatasa y rutilo con la misma morfología (nanohilos) y tamaño de partícula (~ 2nm). Estos electrodos se emplearon para estudiar la estructura electrónica de ambas fases cristalinas. También se realizó un estudio de la distribución de los estados electrónicos empleando electrodos con diferente morfología de nanopartículas (nanotubos, nanocolumnas, nanopartículas). Los estudios se llevaron a cabo empleando voltametría cíclica, cronoamperometría, cronopotenciometría y métodos espectroscópicos (espectroscopía ultravioleta-visible, espectroscopía de voltaje superficial y espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica). Las propiedades fotoelectroquímicas para las diferentes nanoestructuras se estudiaron tanto en medio ácido como en medio alcalino empleando diferentes compuestos orgánicos modelo (ácido fórmico, metanol e hidracina). Se estudió la influencia del tratamiento térmico de los nanohilos sobre su cristalinidad y sus propiedades fotoelectoquímicas. También se prepararon estructuras organizadas jerárquicamente basadas en nanotubos de anatasa decorados con nanohilos tanto de anatasa como de rutilo. El efecto del sustrato se estudió comparando electrodos de nanotubos de dióxido de titanio preparados sobre titanio y sobre vidrio conductor. En el presente trabajo también se estudió la actividad de dióxido de titanio modificado con nanopartículas de oro en el rango visible del espectro empleando métodos espectroscópicos.

Nous avons développé de nouveaux concepts de fabrication de matériaux nanostructurés en couche mince basés sur le dépôt par ablation laser alterné d'un métal (Ag) et d'un diélectrique (Al2O3). Cette technique permet d'atteindre un contrôle optimal sur les paramètres morphologiques des nanostructures qui déterminent la réponse optique des couches minces. Nous avons produit des nanosphères, des nanolentilles et des nanocolonnes, auto-organisées et orientées, encapsulées dans une matrice d'alumine amorphe. Leur réponse optique a été étudiée en fonction de leur morphologie et comparée à des simulations théoriques. En parallèle à cette étude, la réponse vibrationnelle des nanostructures a été analysée par spectrométrie Raman basse fréquence. Finalement, des nanostructures contenant des couches alternées de nanoparticules de Co et d'Ag séparées par une distance de quelques nanomètres ont aussi été fabriquées. Il a été montré que l'interaction entre le plasmon de surface et les modes sphéroïdaux de vibration des nanoparticules active le signal Raman.

In this work samples with silver nanocolumnar structures were successfully fabricated by glancingangle deposition. From SEM investigations of the samples it is concluded that distinct andseparated nanocolumns can be grown without pre-patterned substrates using this method (givensuitable deposition conditions). The sample that exhibits the most distinct and well separatedcolumns was modelled using HFSS with optical properties of silver in nanocolumns obtained bymeasurements on the samples grown by glancing angle deposition, thin enough to not havedeveloped columns. From numerical calculations it was shown that the unit cell arrangement of thecolumns has a large influence on the optical characteristics. It was found that a diamond-like unitcell designed as two identical square lattices shifted by half the lattice spacing in one direction and2-1/2 times the lattice spacing of the other direction gives the best and a fair agreement to theexperimental ellipsometry data. Based on this model calculations were made to determine thewavelength dependent average local current exhibited in the columns as well as the currentdensity. This study showed the occurrence of broadbanded plasmon resonances of longitudinalmode at λ=1363 nm and of transverse mode at λ=545 nm. It was also shown that the opticalcharacteristics are strongly polarization dependent as is expected for such anisotropic samples.

This diploma thesis discusses the gas sensor preparation via anodic oxidation. It names sensor types, deals with the sensing principle of electrochemical sensors in detail and submits sensor parameters. It describes preparation technology and characterization technology methods. In the experimental part, it focuses on both the measurement methodology and the electrochemical oxygen sensor covered with titanium dioxide nanocolumns fabrication. Not the least it discusses acquired research results.

This diploma thesis discusses the gas sensor preparation via anodic oxidation. It names sensor types, deals with the sensing principle of electrochemical sensors in detail and submits sensor parameters. It describes preparation technology and characterization technology methods. In the experimental part, it focuses on both the measurement methodology and the electrochemical oxygen sensor covered with titanium dioxide nanocolumns fabrication. Not the least it discusses acquired research results.

Dans ce travail, différent systèmes ont été étudiés par des méthodes de microscopie électronique en transmission (TEM) : nanoparticules (NPs) de Pt sur du carbone amorphe, boîtes quantiques (QDs) de Ge, l'incorporation du Mn dans les QDs de Ge and des nanocolonnes (NCs) GeMn dans une matrice de Ge pure ou de GeSn. Le mûrissement de NPs de Pt sur un film de carbone amorphe a été étudié par TEM haute résolution (HRTEM) après des recuits à des températures comprises entre 200 °C et 300 °C pour des durées allant jusqu'à 160 h. Une augmentation significative de la taille moyenne des particules est observé en augmentation la durée du recuit pour toutes les températures étudiées. Une expérience de recuit in-situ a révélée deux étapes de mûrissement. La première est dominée par le mûrissement de Smoluchowski tandis que la seconde est dominée par le mûrissement d'Oswald de surface. La dépendance de type Arrhenius du coefficient de transport de masse de surface donne une énergie d'activation de Ed = 0.84 ± 0.08 eV/atome pour la diffusion des atomes de Pt sur un substrat de carbone amorphe. Des méthodes de TEM avancée ont été utilisé pour déterminer directement des profiles de concentration à l'échelle atomique et grand champ de vue par corrélation de signaux de champ sombre annulaire à grand angle (HAADF) et de spectroscopie de perte d'énergie d'électron (EELS). Cette méthode a été appliquée à l'étude de la concentration de Ge à l'échelle atomique dans le system SiGe. Le profile de concentration le long de la direction de croissance est expliqué par la ségrégation de surface des atomes de Ge pendant la croissance avec un modèle d'échange à deux états. L'incorporation de Mn dans les boîtes de Ge a été effectuée par croissance par jets moléculaire (MBE) de GeMn. Des précipités de SiMn sont formés pour des températures de croissance de 380 °C. La diminution de la température de croissance à 220 °C permet de limiter la ségrégation latérale de Mn et d'incorporer le Mn dans les QDs de Ge. Les compositions chimiques absolues obtenues par STEM-EELS prouvent que la densité atomique totale dans les NCs de GeMn est presque deux fois supérieure par rapport à la matrice de Ge. Des études structurales par HRTEM montrent les NCs cristallines sont très désordonnées. Les observations expérimentales peuvent être modélisées par une structure de phase α modifié, si des variants sont introduits pour annuler des réflexions de Bragg et des atomes de Ge sont substitués par des atomes de Mn. Les propriétés structurales et magnétiques de films GeSnMn croît par MBE à basse température (LTMBE) ont été étudiées. De manière similaire aux films GeMn, les atomes de Mn diffusent pendant la croissance et s'agrègent pour former des NCs de quelques nanomètres de diamètre, alignées verticalement et riche en Mn. Les observations TEM en vue plane montrent clairement que l'incorporation de Sn n'est pas homogène avec des concentrations en Sn dans les NCs inférieures à la limite de détection de l'EELS. La matrice présente une solution solide tandis qu'une coquille riche en Sn est formée autour des NCs de GeMn. La magnétisation dans les couches de GeSnMn est plus élevée que dans celles de GeMn. L'augmentation du moment magnétique dans les couches de GeSnMn est probablement due à la modification de la structure électronique des atomes de Mn in the NCs par la coquille de Sn. / In this work, different system have been studied using transmission electron microscopy (TEM) methods: Pt nanoparticles (NPs) on amorphous carbon, Ge quantum dots (QDs), Mn incorporation in Ge QDs and GeMn nanocolumns (NCs) embedded in Ge or GeSn matrix. The coarsening of Pt NPs on amorphous carbon film was studied by high resolution TEM (HRTEM) after annealing at temperatures between 200°C and 300°C for periods of up to 160 hours. A significant increase of the average particle size is observed with increasing annealing time for all investigated temperatures. An in-situ annealing experiment reveals two coarsening stages. The first coarsening stage is dominated by Smoluchowski ripening whereas the second coarsening stage is dominated by surface Ostwald ripening. The Arrhenius-type dependence of the derived surface mass-transport coefficients yields an activation energy Ed = 0.84 ± 0.08 eV/atom for the surface diffusion of Pt atoms on an amorphous carbon substrate. Advanced TEM methods have be used to obtain direct determination of composition profiles with atomic resolution and large field of view by correlation of high angle annular dark field (HAADF) and electron energy loss spectroscopy (EELS) signals. This method was used to obtain a direct and precise quantification of Ge concentration at the atomic level for the SiGe system. The Ge concentration profile along the growth direction was explained by Ge surface segregation during the growth with a two-state exchange model. The incorporation of Mn in Ge QDs have been performed by molecular beam epitaxy (MBE) growth of GeMn. At growth temperature of 380°C, SiMn precipitates are formed. Lowering the growth temperature at 220°C allows limiting the lateral segregation of Mn in Ge and incorporating Mn in Ge QDs. Absolute chemical composition by STEM-EELS evidenced that the total atomic density in Ge(Mn) NCs is almost two times higher than in the Ge matrix. Structural analysis by HRTEM shows that the crystalline NCs exhibit a high degree of disorder. Experimental observation can be model with a modified α-phase structure if variants are introduced to cancel reflexions and Ge atoms are substituted by Mn atoms. The structural and magnetic properties of GeSnMn films grown on Ge(001) by low temperature MBE (LTMBE) have been studied. Like in Ge(Mn) films, Mn atoms diffuse during the growth and aggregate into vertically aligned Mn-rich NCs of a few nanometers in diameter. TEM observations in plane view clearly indicate that the Sn incorporation is not uniform with concentration in Mn rich vertical NCs lower than the EELS detection limit. The matrix exhibits a GeSn solid solution while there is a Sn-rich GeSn shell around GeMn NCs. The magnetization in GeSnMn layers is higher than in GeMn films. This magnetic moment enhancement in GeSnMn is probably related to the modification of the electronic structure of Mn atoms in the NCs by the Sn-rich shell, which is formed around the NCs.

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Le développement des dispositifs issus de l'électronique de spin nécessite de nouveaux matériaux qui permettent d'injecter de manière efficace le courant polarisé en spin dans des semiconducteurs. Parmi de nombreux matériaux utilisés comme injecteurs de spin, les semiconducteurs ferromagnétiques dilués (DMS), obtenus en dopant des semiconducteurs avec des impuretés magnétiques tels que Mn ou Co, sont considérés comme des candidats potentiels pour l'injection de spin. Ces matériaux dopés deviennent ferromagnétiques tout en conservant leurs propriétés semiconductrices. Par conséquent, ils présentent une similarité d'impédance électrique par rapport aux substrats semiconducteurs, ce qui rend efficace l'injection de courant polarisé en spin dans ces derniers. Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse consiste à étudier la cinétique de croissance des semiconducteurs ferromagnétiques dilués GeMn. Nous cherchons à déterminer les paramètres clés de la croissance des couches de GeMn, à savoir la température du substrat, et la concentration en Mn. Pour la fabrication de dispositifs électroniques fonctionnels, le challenge crucial est d'obtenir des DMS ayant une température de Curie (TC) bien supérieure à la température ambiante. Nous nous sommes donc concentrés sur la cinétique de formation de la phase nanocolonnaire GeMn possédant une TC au-delà de 400 K. / The development of active spintronic devices requires new materials, which enable to efficiently inject spin-polarized currents into non-magnetic semiconductors. Among numerous materials that can be used as spin injectors, diluted magnetic semiconductors (DMS), obtained by doping standard semiconductors with magnetic impurities, such as Mn or Co, have emerged as potential candidates for spin injection. The materials become ferromagnetic while conserving their semiconducting properties. They exhibit therefore natural impedance match to host semiconductors and are expected to efficiently inject spin-polarized currents into semiconductors. In this context, the main objectives of this thesis work consist in studying the growth kinetics of GeMn-based diluted magnetic semiconductors. We aim at determining the main growth parameters, such as the substrate temperature and the Mn concentration, that govern the growth process of GeMn layers. Since for device applications it is crucial to obtain DMS exhibiting a Curie temperature (TC) well above room temperature, we have focused our attention to the kinetic formation of the GeMn nanocolumn phase, which exhibits a Curie temperature higher than 400 K.

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Dichte Ensembles aus GaN-Nanodrähten können in der Molekularstrahlepitaxie mithilfe eines selbstinduzierten Prozesses sowohl auf kristallinen als auch amorphen Substraten gezüchtet werden. Aufgrund der Natur selbstgesteuerter Prozesse ist dabei die Kontrolle über viele wichtige Ensembleparameter jedoch eingeschränkt. Die Arbeit adressiert genau diese Einschränkungen bei der Kristallzucht selbstinduzierter GaN-Nanodrähte. Konkret sind das Limitierungen bezüglich der Nanodraht-Durchmesser, die Nanodraht-Anzahl-/Flächendichte, der Koaleszenzgrad sowie die maximal realisierbare Wachstumstemperatur. Für jede dieser Einschränkungen werden Lösungen präsentiert, um die jeweilige Limitierung zu umgehen oder zu verschieben. Als Resultat wurde eine neue Klasse von GaN Nanodrähten mit bisher unerreichten strukturellen und optischen Eigenschaften geschaffen. Mithilfe eines Zwei-Schritt-Ansatzes, bei dem die Wachstumstemperatur während der Nukleationsphase erhöht wurde, konnte eine verbesserte Kontrolle über die Flächendichte, den Durchmesser und den Koaleszenzgrad der GaN-Nanodraht-Ensembles erreicht werden. Darüber hinaus werden Ansätze präsentiert, um die außerordentlich lange Inkubationszeit bei hohen Wachstumstemperaturen zu minimieren und damit wesentlich höhere Wachstumstemperaturen zu ermöglichen (bis zu 905°C). Die resulierenden GaN-Nanodraht-Ensembles weisen schmale exzitonische Übergänge mit sub-meV Linienbreiten auf, vergleichbar zu denen freistehender GaN-Schichten. Abschließend wurden Nanodrähte mit Durchmessern deutlich unterhalb von 10 nm fabriziert. Mithilfe eines Zersetzungsschrittes im Ultrahochvakuum direkt im Anschluss an die Wachstumsphase wurden reguläre Nanodraht-Ensembles verdünnt. Die resultierenden ultradünnen Nanodrähte weisen dielektrisches Confinement auf. Wir zeigen eine ausgeprägte exzitonische Emission von puren GaN-Nanodrähten mit Durchmessern bis hinab zu 6 nm. / In molecular beam epitaxy, dense arrays of GaN nanowires form spontaneously on crystalline as well as amorphous substrates. Due to the nature of spontaneous formation, the control over important parameters is limited. This thesis addresses the major limitations of spontaneous nanowire formation, namely the nanowire diameter, number density, and coalescence degree but also the maximum achievable growth temperature, and presents approaches to overcome the same. Thereby, we have fabricated a new class of nanowires with unprecedented structural and optical properties. We find that a two-step growth approach, where the substrate temperature is increased during the nucleation stage, is an efficient method to gain control over the area coverage, average diameter, and coalescence degree of GaN nanowire ensembles. Furthermore, we present growth approaches to minimize the long incubation time that precedes nanowire nucleation at elevated temperatures and to thus facilitate significantly higher growth temperatures (up to 905°C). The GaN nanowire ensembles grown at so far unexplored substrate temperatures exhibit excitonic transitions with sub-meV linewidths comparable to those of state-of-the-art free-standing GaN layers grown by hydride vapor phase epitaxy. Finally, we fabricate nanowires with diameters well below 10 nm, the lower boundary given by the nucleation mechanism of spontaneously formed nanowires. Here, regular nanowire arrays are thinned in a post-growth decomposition step in ultra-high vacuum. In situ monitoring the progress of decomposition using quadrupole mass spectrometry enables a precise control over the diameter of the thinned nanowires. These ultrathin nanowires show dielectric confinement, which is potentially much stronger than quantum confinement. We demonstrate intense excitonic emission from bare GaN nanowires with diameters down to 6 nm.