<p dir="ltr">This thesis is about the exciting discovery of a new kind of single photon emitter that<br>is suspected to occur at the interface of silicon nitride SixNy and silicon dioxide SiO2 after<br>being rapidly annealed. Since SixNy is one of the most developed platforms for integrated<br>photonics the discovery of a native emitter in this platform opened up the possibility for<br>seamless integration of these single photon emitters with photonic circuitry for the first<br>time. This seamless integration was demonstrated as is shown in Chapter 3 by creating the<br>emitters and then patterning the SixNy layer into a waveguide. This work demonstrated for<br>the first time the coupling of such single photon emitters with on-chip integrated photonics.<br>However, the integration approach demonstrated was based on the stochastic integration of<br>emitters which limits the efficiency of the devices and the possible types of devices that can<br>be designed. This is why the next stage of research focused on the development of a site-<br>controlled process for creating these single photon emitters. Remarkably, it was found that<br>if the SixNy and SiO2 are nanostructured into nanopillars and then annealed then a single<br>photon emitter forms over 65% of the time within the nanopillar! Due to the lithography<br>defined nature of this process for creating the single photon emitters the first multi-mask<br>integration process was also developed and demonstrated. This fabrication process was used<br>to demonstrate the integration of several thousand single photon emitters with complex<br>integrated photonic structures such as topology optimized couplers. These developments<br>has generated a great deal of excitement due to the inherent scalability of the approach and<br>it’s obvious applications for the development of very large scale integrated (VLSI) on-chip<br>quantum photonic systems.</p>

It is of paramount importance to our society that the environment, life style, science and amusement flourish together in a balanced way. Some trends in this direction are the increased utilization of renewable energy, like solar photovoltaics; better health care products, for example advanced biosensors; high definition TV or high resolution cameras; and novel scientific tools for better understanding of scientific observations. Advancement of micro and nanotechnologies has directly and positively impacted our stance in these application domains; one example is that of vertical periodic or aperiodic nano or micro pillar assemblies which have attracted significant research and industrial interest in recent years. In particular, Si pillars are very attractive due to the versatility of silicon. There are many potential applications of Si nanopillar/nanowire assemblies ranging from light emission, solar cells, antireflection, sensing and nonlinear optical effects. Compared to bulk, Si pillars or their assemblies have several unique properties, such as high surface to volume ratios, light localization, efficient light guiding, better light absorption, selective band of light propagation etc.      The focus of the thesis is on the fabrication of Si pillar assemblies and hierarchical ZnO nanowires on Si micro structures in top-down and bottom-up approaches and their optical properties and different applications. Here, we have investigated periodic and aperiodic Si nano and micro structure assemblies and their properties, such as light propagation, localization, and selective guiding and light-matter interaction. These properties are exploited in a few important optoelectronic/photonic applications, such as optical biosensors, broad-band anti-reflection, radial-junction solar cells, second harmonic generation and color filters.         We achieved a low average reflectivity of ~ 2.5 % with the periodic Si micropyramid-ZnO NWs hierarchical arrays. Tenfold enhancement in Raman intensity is also observed in these structures compared to planar Si. These Si microstructure-ZnO NW hierarchical structures can enhance the performance and versatility of photovoltaic devices and optical sensors. A convenient top-down fabrication of radial junction nanopillar solar cell using spin-on doping and rapid thermal annealing process is presented. Broad band suppressed reflection, on average 5%, in 300- 850 nm wavelength range and an un-optimized cell efficiency of 6.2 % are achieved. Our method can lead to a simple and low cost process for high efficiency radial junction nanopillar solar cell fabrication.            Silicon dioxide (SiO2) coated silicon nanopillar (NP) arrays are demonstrated for surface sensitive optical biosensing. Bovine serum albumin (BSA)/anti-BSA model system is used for biosensing trials by photo-spectrometry in reflection mode. Best sensitivity in terms of limit of detection of 5.2 ng/ml is determined for our nanopillar biosensor. These results are promising for surface sensitive biosensors and the technology allows integration in the CMOS platform.         Si pillar arrays used for surface second harmonic generation (SHG) experiments are shown to have a strong dependence of the SHG intensity on the pillar geometry. The surface SHG can be suitable for nonlinear silicon photonics, surface/interface studies and optical sensing.         Aperiodic Si nanopillar assemblies in PDMS matrix are demonstrated for efficient color filtering in transmission mode. These assemblies are designed using the ‘‘molecular dynamics-collision between hard sphere’’ algorithm. The designed structure is modeled in a 3D finite difference time domain (FDTD) simulation tool for optimization of color filtering properties. Transverse localization effect of light in our nanopillar color filter structures is investigated theoretically and the results are very promising to achieve image sensors with high pixel densities (~1 µm) and low crosstalk. The developed color filter is applicable as a stand-alone filter for visible color in its present form and can be adapted for displays, imaging, smart windows and aesthetic applications. / <p>QC 20160407</p>

La photonique sur silicium a le potentiel de rendre des technologies de télécommunication optiques accessibles au grand public. Alors que l’indice de réfraction élevé du silicium permet de fabriquer des circuits photoniques intégrés (CPI) compacts, il rend difficile l’injection de lumière sur les puces de silicium. Pour faciliter le transfert de lumière d’une fibre optique vers un guide d’onde en silicium, une plateforme technologique nommée coupleur évanescent optimisé pour les différences d’indice de réfraction élevées (CEIRE) a été développée à l’Université de Sherbrooke. Afin d’appuyer cette méthode d’injection, des technologies complémentaires ont également été étudiées.

Nous avons étudié la formation de nanogaps par électromigration dans des nanofils d'or. Cette technique consiste à provoquer la rupture d'un nanofil en lui appliquant de fortes densités de courant et peut être utilisée pour la caractérisation électrique de nano-objets. L'étude en temps réel du processus d'électromigration par microscopie à force atomique a permis d'apporter un éclairage nouveau de la dynamique du processus. En effet, il apparaît que la structure globale du dispositif est définie dans les premiers temps de l'électromigration et nous avons montré que cette structure est directement liée à la microstructure du film métallique. Pour la première fois, des nanogaps ont été élaborés par électromigration dans des films monocristallins. Malgré l'absence de joints de grain, il est possible de former des nanogaps dans un matériau épitaxié. L'utilisation de ces matériaux permet d'obtenir des nanogaps avec une morphologie plus reproductible. Les propriétés de transports des nanogaps obtenus à partir de films polycristallins ont été caractérisées. Les caractéristiques obtenues présentent toutes des signatures particulières, attribuées à la présence d'agrégats d'or provenant de la procédure d'électromigration et/ou de polymères issus du procédé de nanofabrication. Ces résultats montrent la difficulté à réaliser des mesures à l'échelle de la molécule unique.

Le but principal de ce travail de thèse est de proposer un matériau précurseur d'oxydes métalliques (ZrO2, TiO2, HfO2) compatible avec la technique de photolithographie interférentielle DUV. Des oxoclusters de métaux (MOC) de transitions obtenus par complexation d'un ligand organique et hydrolysé partiellement ont été proposé comme briques élémentaires pour construire ces nanostructures. Le recours à des longueurs d'onde DUV (193 nm) permet d'exciter directement les MOC, ce qui conduit à une réticulation photoinduite, et confère à la résine un caractère de photoresist négatif. Une étude spectroscopique détaillée a permis de proposer un mécanisme de photoréticulation. Cette étude s'est appuyée essentiellement sur des techniques de suivi in situ de la réaction photochimique, par ellipsométrie spectroscopique et RT-FTIR. La nanostructuration a été effectuée essentiellement par lithographie interférométrique DUV (DUV-IL) à 193 nm et étendue à la stéréolithographie biphotonique. La DUV-IL a été choisie pour son potentiel d'écriture de nanostructures sur des surfaces relativement importantes, dans des conditions standard d'atmosphère et température. De plus, dans le cas des TiOC, les nanostructures peuvent être rendues inorganiques à température ambiante par un traitement photochimique supplémentaire. Dans le cas de ZrOC et HfOC, une étape supplémentaire de recuit thermique permet d'obtenir une structure de type MO2 cristallisée.

Spintronics or electronics that utilizes the spin degree of freedom of a single charge carrier (or an ensemble of charge carriers) to store, process, sense or communicate data and information is a rapidly burgeoning field in electronics. In spintronic devices, information is encoded in the spin polarization of a single carrier (or multiple carriers) and the spin(s) of these carrier(s) are manipulated for device operation. This strategy could lead to devices with low power consumption. This dissertation investigates spin transport in one dimensional and two dimensional semiconductors, with a view to applications in spintronic devices.

The fast progress in the exploration of 2D materials such as graphene became possible due to development of fabrication techniques that allowed these materials to be protected from e.g. undesirable doping and gave rise to new functionalities realized within van der Waals heterostructures. Attracted by van der Waals interaction the constituent layers of such heterostructures preserve their exceptional electronic quality and for example in graphene allow for high electron mobility to be achieved. However, the studies of atomically thin layers such as NbSe2 that exhibit metallic behavior have been impeded by their reactivity and hence oxidation during exposure to ambient or oxidizing agents such as solvents. In this thesis, the existing heterostructure assembly technique was improved by the introduction of exfoliation and re-stacking by a fully motorized system placed in an inert atmosphere. This approach allowed us to overcome the problem of environmental degradation and create Hall bars and planar tunnel junctions from atomically thin superconducting NbSe2. Furthermore, this versatile approach allowed us to study the thickness dependence of the normal and superconducting state transport properties of NbSe2, uncovering the reduction of the superconducting energy gap and transition temperature in the thinnest samples. On the other hand, 2D materials being just 1-3 atoms thick represent an ultimate example of a membrane - thin but laterally extended object. Consisting of such atomically thin membranes the van der Waals heterostructures can be used for purposes other than the studies of electronic transport. In this work, ubiquitous bubbles occurring during van der Waals heterostructure assembly are employed as a tool to explore 2D materials' mechanical properties and mutual adhesion. This allowed us to measure Young's modulus of graphene and other 2D materials under 1-2% strain and deduce the internal pressure that can reach up to 1 GPa in sub-nanometer size bubbles.

In the pursuit of economical and rapid fabrication solutions on the micro and nano scale, polymer replication has proven itself to be a formidable technique, which despite zealous development by the research community, remains full of promise. This thesis explores the potential of elastomers in what is a distinctly multidisciplinary field. The focus is on developing innovative fabrication solutions for planar photonic devices and for nanoscale devices in general. Innovations are derived from treatments of master structures, imprintable substrates and device applications. Major contributions made by this work include fully replicated planar integrated optical devices, nanoscale applications for photolithographic standing wave corrugations (SWC), and a biologically templated, optical fiber based, surface-enhanced Raman scattering (SERS) sensor. The planar devices take the form of dielectric rib waveguides which for the first time, have been integrated with long-period gratings by replication. The heretofore unemployed SWC is used to demonstrate two innovations. The first is a novel demonstration of elastomeric sidewall photolithographic mask, which exploits the capacity of elastomers to cast undercut structures. The second demonstrates that the corrugations themselves in the absence of elastomers, can be employed as shadow masks in a directional flux to produce vertical stacks of straight lines and circles of nanowires and nanoribbons. The thesis then closes by conceptually combining the preceding demonstrations of waveguides and nanostructures. An optical fiber endface is em ployed for the first time as a substrate for patterning by replication, wherein the pattern is a nanostructure derived from a biological template. This replicated nanostructure is used to impart a SERS capability to the optical fiber, demonstrating an ultra-sensitive, integrated photonic device realized at great economy of both time and money, with very real potential for mass fabrication.

Les réseaux de nanojonctions Josephson constituent un système modèle pour l'étude d'un grand nombre de phénomènes physiques. La transition Kosterlitz-Thouless-Berezinski est étudiée pour des jonctions de grande capacité, la transition de phase quantique supraconducteur-isolant, lorsque les jonctions ont une très faible capacité, mais également la compétition entre le champ magnétique et la géométrie. Nous avons étudié le diagramme de phase d'un réseau particulier : le reseau dice. Lorsque le flux magnétique par cellule correspond à un demi quantum de flux (frustration f=1/2), la fonction d'onde électronique est, dans ce réseau, entièrement localisée dans un modèle de liaisons fortes. Cet effet est dû à des interférences destructives de type Aharonov-Bohm. La prédiction de cet effet a motivé notre travail. Nous avons donc réalisé des réseaux dice de nanojonctions Al/Al2O3/Al de grande taille, par lithographie électronique. Les configurations de vortex sont observées par décoration magnétique de Bitter et nous avons étudié les propriétés de transport électrique par des mesures bas bruit à très basse température. La comparaison du diagramme de phase de ces réseaux entre f=1/2 et f=0, nous a permis de mettre en évidence deux phases originales à f=1/2. Tout d'abord, dans le régime supraconducteur, lorsque les fluctuations quantiques sont négligeables, les vortex s'arrangent suivant une configuration fortement désordonnée à longue distance, mais un ordre à courte distance subsiste. Les mesures de courant critique suggère d'autre part l'existence d'une phase commensurable. L'ensemble de ces résultats semble montrer l'existence à basse température d'une phase vitreuse, bien que nous n'ayons pas observé d'hystérésis thermique. D'autre part, dans les réseaux où les fluctuations quantiques deviennent importantes, nous observons une phase résistive à basse température indépendante de la température, caractéristique d'une phase de liquide quantique de vortex.

Dans cet ouvrage, nous présentons une étude du transport électronique dans un îlot métallique diffusif en contact avec deux électrodes supraconductrices. Nous avons mis au point un nouveau procédé de fabrication qui permet de réaliser ces jonctions niobium – cuivre – niobium avec des interfaces métalliques très transparentes. Les électrodes supraconductrices en niobium présentent alors une température critique proche de celle du supraconducteur massif. En préambule aux mesures de transport nous caractérisons les jonctions longues et diffusives par une étude quantitative théorique et expérimentale du couplage Josephson continu. Quand une tension est appliquée aux bornes de la jonction, la différence de phase entre les deux supraconducteurs oscille à très haute fréquence et la distribution des électrons est portée hors de l'équilibre thermodynamique. Nous mesurons une forte variation de conductance continue de la jonction qui est liée à la relaxation des électrons du métal normal via les collisions inélastiques. Nous avons ensuite réalisé une mesure de la conductance quand la jonction est irradiée avec une onde hyperfréquence. L'ïlot se comporte comme une cavité résonante à la fréquence Josephson. Le couplage de l'onde avec cette cavité fait apparaître les paliers Shapiro quand la tension atteint V=nhw/2e. Ces paliers sont caractéristiques de l'oscillation sinusoïdale du supercourant Josephson. Au-dessus d'une certaine température, il apparaît en plus de nombreux paliers fractionnaires. L'amplitude de ces nouveaux paliers persiste à haut température alors que les paliers Shapiro disparaissent très rapidement. Nous orientons la discussion en terme de contributions hors-équilibre au courant Josephson alternatif.