Les diodes électroluminescentes (LEDs) bleues ou blanches actuelles sont constituées de couches épitaxiales planaires, essentiellement à base de GaN. Sans autres opérations technologiques, la réflexion totale interne aux interfaces réduit le nombre de photons extraits à quelques pourcents du nombre de photons émis. Cette thèse s'intéresse à un concept en rupture : les LEDs à nanofils GaN ou ZnO. Plus précisément elle vise à préciser l'intérêt de ces couches pour l'augmentation du rendement d'extraction. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à trois types de couches (taille des fils, arrangement), chacune mettant en jeu un processus d'extraction différent. La première géométrie, basée sur des fils relativement gros (rayons 50-100nm minimun) et distants vise à profiter des résonances ou du guidage optique pouvant exister au sein de chaque fil pour canaliser l'émission spontanée. Les coefficients de couplage de la couche active sur ces modes ainsi que la réflectivité des modes guidés en bout de fils ont notamment été évalué numériquement en fonction de la taille des fils. La seconde approche, issue de l'étude goniométrique de couches de fils MBE sur substrat Silicium, vise à profiter des propriétés d'indice effectif des couches de fils sublongueurs d'onde pour éviter le phénomène de réflexion totale à l'origine des faibles rendements d'extraction des couches planaires. Le modèle anisotrope numérique développé montre qu'un rendement d'extraction proche de 70% est envisageable sur ce type de couche épitaxiée sur Silicium. Enfin la troisième approche, plus prospective, vise à initier une étude sur l'émission dans des réseaux de fils agencés périodiquement.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la caractérisation physique de nanofils (NF) semiconducteurs (SC) qui est un domaine en plein essor ces dernières années. Plus précisément, nous explorons l'émission de champ (EC) de NFs individuels de Carbure de Silicium (SiC) pour leur potentialité comme source d'électrons, mais surtout pour étudier leurs propriétés de transport électrique, optiques et mécaniques.Le rôle important joué par la surface dans ces NFs a été prouvé par des traitements in situ qui ont eu des conséquences radicales sur l'EC dévoilant ainsi des propriétés d'émission propres aux SCs. En particulier, un régime de saturation, en accord avec la théorie d'EC des SCs, associé à une forte dépendance de l'émission à la température et à l'illumination laser a été révélé pour la première fois pour un NF. Ces mesures ouvrent des perspectives importantes tant pour la recherche fondamentale que pour les applications telles que la réalisation de photocathodes et de sources d'électrons pilotées optiquement ou par la température. Les caractéristiques courant-tension-température associées à l'analyse en énergie des électrons émis nous ont permis de déterminer le mécanisme de transport dans ces NFs, qui est limité par le nombre de porteurs dans le volume et contrôlé par les pièges présents dans la bande interdite par l'effet Poole-Frenkel. Finalement, la caractérisation mécanique a révélé des valeurs du facteur de qualité élevé (160000) et du module de Young allant jusqu'à 700GPa. Ces valeurs sont très prometteuses pour l'utilisation de ces NFs dans les systèmes nano-électro-mécaniques et dans les composites.

La structure de bande et les propriétés électroniques des nanofils d’InAs et d’InSb sont étudiées par transport électronique en régime quasi-balistique et sous un champ magnétique montant jusqu’à 55T. Le régime quasi-balistique est mis en évidence par la quantification de la conductance. La structure de bande est sondée par l’analyse des plateaux de conductance en fonction de la concentration électronique. L’application du champ magnétique lève la dégénérescence de spin et la dégénérescence orbitale. Sous champ magnétique perpendiculaire à l’axe du nanofil, les bandes évoluent vers la quantification de Landau, accompagnée d’une réduction de la rétrodiffusion. Des fluctuations quasi-périodiques de la conductance sont mesurées en fonction du champ magnétique parallèle à l’axe du nanofil. Elles révèlent le confinement des porteurs à l’intérieur du nanofil et la formation d’orbites de Landau dans la direction du transport. Le transport électronique cohérent est mis en évidence par l’observation de fluctuations universelles de conductance et du régime de Fabry-Pérot électronique. Enfin, la mesure de photoconductivité révèle la présence de barrières de Schottky au niveau des contacts et une anisotropie en fonction de la direction de polarisation linéaire inattendue pour des nanofils d’InSb de structure cristalline Blende de Zinc. / The subband structure and electronic properties of InAs and InSb nanowires are studied experimentally by measuring the electronic transport in the quasi-ballistic regime and under magnetic field up to 55T.The quasi-ballistic regime is highlighted by the conductance quantization. The band structure is probed by analyzing the conductance plateaus as a function of the gate voltage. The application of a magnetic field lifts the orbital and spin degeneracy. Under a magnetic field perpendicular to the NW axis subbands evolved towards Landau quantization together with backscattering reduction. Fluctuations of the magneto-conductance are observed in function of magnetic field parallel to the nanowire axis. They reveal the carriers confinement within the nanowire and Landau orbits emergence in the transport direction. The coherent electron transport is jointly studied in these systems. It is highlighted by the observation of universal conductance fluctuations and electronic Fabry-Pérot oscillations. Finally the low-temperature photoconductivity measurement reveals the presence of Schottky barriers at the contacts and unexpected anisotropy according to the direction of linear polarization for InSB Zinc Blende nanowires.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la caractérisation physique de nanofils (NF) semiconducteurs (SC) qui est un domaine en plein essor ces dernières années. Plus précisément, nous explorons l’émission de champ (EC) de NFs individuels de Carbure de Silicium (SiC) pour leur potentialité comme source d'électrons, mais surtout pour étudier leurs propriétés de transport électrique, optiques et mécaniques.Le rôle important joué par la surface dans ces NFs a été prouvé par des traitements in situ qui ont eu des conséquences radicales sur l’EC dévoilant ainsi des propriétés d’émission propres aux SCs. En particulier, un régime de saturation, en accord avec la théorie d’EC des SCs, associé à une forte dépendance de l'émission à la température et à l’illumination laser a été révélé pour la première fois pour un NF. Ces mesures ouvrent des perspectives importantes tant pour la recherche fondamentale que pour les applications telles que la réalisation de photocathodes et de sources d’électrons pilotées optiquement ou par la température. Les caractéristiques courant-tension-température associées à l’analyse en énergie des électrons émis nous ont permis de déterminer le mécanisme de transport dans ces NFs, qui est limité par le nombre de porteurs dans le volume et contrôlé par les pièges présents dans la bande interdite par l’effet Poole-Frenkel. Finalement, la caractérisation mécanique a révélé des valeurs du facteur de qualité élevé (160000) et du module de Young allant jusqu’à 700GPa. Ces valeurs sont très prometteuses pour l’utilisation de ces NFs dans les systèmes nano-électro-mécaniques et dans les composites. / We use field emission (FE) from individual silicon carbide nanowires (NWs) to explore their potential as electron sources, and especially as a versatile tool for studying transport, optical and mechanical properties of NWs. These studies fall within the larger framework of the physics of semiconducting (SC) nanowires, which is presently a large and rapidly expanding domain. The important role played by the surface in the transport and optical properties of NWs was clearly demonstrated by the radical consequences induced by in situ treatments on the FE properties. This permitted the observation of the specific behavior expected for SCs, particularly, a current saturation regime in agreement with the theory of FE for SCs. We found that the saturation was concomitant with a strong dependence of the emission on temperature and laser illumination, revealed for the first time for a NF. These measurements open important perspectives for both fundamental research and applications such as the realization of optically or thermally controlled FE electron sources. The current-voltage-temperature characteristics were carried out in parallel with measurement of the energy distributions of the emitted electrons, thus permitting the determination of the transport mechanism in the NWs. We found that the transport was limited by the carrier density in the volume and by the traps in the gap that generate current through the Poole-Frenkel effect. Finally, the mechanical characterization revealed high quality factors, as high as 160,000, and a Young’s modulus up to 700 GPa. These values are very promising for the use of these NWs in nano-electro-mechanical systems (NEMS) and composites.

Cette thèse présente des mesures de transport électronique dans des systèmes quasi-unidimensionnels (quasi-1D) sous champ magnétique intense. Deux systèmes différents présentant un confinement électrique quasi-1D ont été considérés: les peapods de carbone (C60@SWCNTs) et les nanofils d'InAs. L’objectif de ces travaux consiste à sonder les propriétés électroniques spécifiques de ces systèmes quasi-1D par les mesures de magnétotransport sur les nano-objets uniques. Dans les deux cas, les expériences sous champs magnétiques intenses ont été accompagnée par des caractérisations structurales et des mesures de conductance à champ magnétique nul.L'encapsulation de diverses molécules à l'intérieur de nanotubes de carbone (CNTs), comme par exemple les fullerènes C60, constitue une des voies prometteuses vers l'accordabilité de la conductance des CNTs. Parmi la grande variété des nanotubes de carbone remplis, les peapods représentent une structure hybride pionnière découvert en 1998. Depuis lors, leur structure électronique a fait l’objet d’études théoriques controversées avec un nombre limité de réalisations expérimentales. Dans cette thèse, les propriétés électroniques des peapods individuels ont été étudiés en combinant les mesures de spectroscopie micro-Raman et de magnétotransport sur les mêmes échantillons. Nous avons constaté que les C60 encapsulés modifient fortement la structure de bande électronique des nanotubes semi-conducteurs au voisinage du point de neutralité de charge. Cette modification comprend un déplacement rigide de la structure électronique et un remplissage partiel de la bande interdite. Nous avons aussi montré que l’excitation UV sélective des fullerènes conduit à une forte modification du couplage électronique entre les C60 et le CNT induite par la coalescence partielle des C60 et de leur distribution à l'intérieur du tube. Les résultats expérimentaux sont supportés par des simulations numériques de la densité d'états et de la conductance des nanotubes de carbone avec des fullerènes fusionnés à l'intérieur (K. Katin, M. Maslov).Les nanofils semiconducteurs (sc-NWs) font l'objet de recherches actives depuis ces dix dernières années. Ils représentent des systèmes modèles pour l’étude des propriété électronique objet quasi-1D. Ils représentent en outre des possibilités de modulation de la structure de bande aussi que de contrôle de la densité de porteurs. Dans ce domaine de recherche, les nanofils semi-conducteurs à base de composes III-V tel que InAs, ont une place particulière en raison de la faible masse effective des porteurs de charge. Nous avons étudié la conductance de nanofils individuels dans une large gamme de champs magnétiques (jusqu'à 60T). Les mesures en champ nul et en champ faible ont démontré un transport faiblement diffusif dans ces nanofils. Les mesures de transport sous champ magnétique intense ont révélé une forte chute de la conductance au dessus d'un champ critique qui s'élève clairement avec l'énergie de Fermi. Cet effet est interprété par la perte de canaux de conduction une fois que toutes les sous-bandes magnéto-électriques, décalés vers les hautes énergies par le champ magnétique, ont traversé l'énergie de Fermi. Les calculs de structure de bande préliminaires (Y-M. Niquet), en prenant en compte les confinements latéraux et magnétiques, sont en bon accord qualitatif avec les résultats observés dans le régime de champ magnétique intense. Ce résultat est la première observation des effets de structure de bande dans les expériences de magnéto-transport sur les sc-NWs / The scope of this thesis is related to the electronic properties of quasi 1D systems probed by high field magnetotransport. Two different systems exhibiting quasi-1D confinement have been considered: carbon C60 peapods (C60@SWCNTs) and InAs semiconductor nanowires. The magnetotransport measurements on single nano-objets have been used to investigate the specific electronic structure of these 1D systems. In both cases, the high magnetic fields experiments have been supported by structural characterisation and conductance measurements at zero field.The encapsulation of various molecules inside carbon nanotubes (CNTs), as for instance C60 fullerenes encapsulated in SWCNT, constitutes promising routes towards the tunability of the CNT conductance. Among the wide variety of filled CNTs, peapods represent a pioneer hybrid structure discovered in 1998. Since that time, their electronic structure has been subjected to intense and controversial theoretical studies together with a limited number of experimental realizations. In this thesis the electronic properties of individual fullerene peapods have been investigated by combining micro-Raman spectroscopy and magnetotransport measurements on the same devices. We bring evidence that the encapsulated C60 strongly modify the electronic band structure of semiconducting nanotubes in the vicinity of the charge neutrality point, including a rigid shift and a partial filling of the energy gap. In addition by playing with a selective UV excitation of the fullerene, we demonstrate that the electronic coupling between the C60 and the CNT is strongly modified by the partial coalescence of the C60 and their distribution inside the tube. The experimental results are supported by numerical simulations of the Density of States and the conductance of CNTs with coalesced fullerenes inside (K. Katin, M. Maslov).Semiconductor nanowires (sc-NWs) are being the subject of intense researches started a decade ago. They represent model systems for the exploration of the electronic properties inerrant to the quasi1-D confinement. Moreover they offer the possibility to play with band structure tailoring and carrier doping. In this direction III-V sc-NWs such as InAs NWs have played a particular role due to the small electron effective mass. We have studied the high magnetic field conductance of single nanowires. Prior to the high field measurements, the zero and low field investigations have demonstrated a weakly diffusive regime of the carrier transport in these wires. The high field investigations have revealed a drastic conductance drop above a critical field, which clearly rises with the Fermi energy. This effect is interpreted by the loss of conducting channels once all the magneto-electric subbands, shifted toward the high energy range by the magnetic field, have crossed the Fermi energy. Preliminary band structure calculations (Y-M. Niquet), taking into account the lateral and magnetic confinements, are in fairly good qualitative agreement with the observed result in the high field regime. This result is the first observation of band structure effects in magneto-transport experiments on sc-NWs

Nous avons découvert une méthode originale pour produire une transformation de phase dans les nanofils de Ge et Si(de structure cubique diamant 3C).Sous l’action d’une contrainte externe à chaud, des nanodomaines de structure hexagonale diamant 2H se forment de manière quasi-périodique le long du fil ce qui résulte en un réseau 1D d’hétérostructures 3C/2H.Dans ce contexte,ce projet de thèse vise à mettre en lumière les mécanismes de cette transformation de phase et à caractériser les propriétés physiques de la phase 2H.Nous avons mis en place des analyses structurales systématiques dans les nanofils de Ge et Si-3C/2H pour mettre en évidence les paramètres clés de la transformation de phase.Les nanodomaines 2H sont formés dans des bandes de cisaillement de direction e2-5-5e.Une relation d’orientation a été mise en évidence:(1-10)3C//(-2110)2H et (110)3C//(0001)2H et les bandes 2H reposent majoritairement sur les plans d’interface (115)3C.Les études préliminaires montrent que la contrainte de cisaillement et le budget thermique sont nécessaires à la transformation avec une température seuil minimale de 350°C et 500°C pour le Ge et le Si respectivement,ces conditions sont caractéristiques d’une transformation martensitique.Les paramètres clés identifiés : l’orientation cristallographique et le diamètre des nanofils.Dans les nanofils de Si, la formation des bandes de cisaillement et donc des domaines 2H est induite par la composante de contrainte de cisaillement dans la direction de glissement du plan interfacial 3C/2H. D’après ces résultats, la transformation de phase serait compatible avec un mécanisme de relaxation plastique via la formation des bandes de cisaillement (5-5-2)(1-15)3C.Nous avons réalisé des mesures Raman spatialement résolues sur nanofil unique de Ge- et Si-3C/2H afin de mettre en évidence les modes de phonons optiques. Dans le Ge, nous avons détecté deux pics Raman à 288 cm−1 et 301 cm−1 attribués aux modes E2g et E1g + A1g + F2g. Dans le Si, nous avons observé trois pics Raman à 498, 515 et 520 cm−1 respectivement associés aux modes E2g, A1g et F2g. Ces valeurs coïncident avec les calculs reportés.Nous avons également mesuré les largeurs de bandes interdites dans les nanofils de Ge-3C/2H par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier:nous avons obtenu un gap direct à 0,58 eV attribué à la phase 2H et un gap indirect à 0,72 eV qui proviendrait vraisemblablement de la phase 3C.Ces valeurs constituent les premières mesures expérimentales du gap de la phaseGe-2H et vont dans le sens des calculs théoriques qui prédisent un gap étroit et direct. La phase 2H peut également être obtenue dans le massif de Si et Ge après décompression dans une cellule à enclumes de diamant menant à la phase BC8 qui se convertit à température ambiante(dans le Ge) ou à chaud(dans le Si) en phase 2H. Afin de comparer les propriétés du massif, nous avons réalisé des mesures in-situ par spectroscopie Raman et par diffraction des rayons X dans le massif en étudiant différents chemins de décompression. A température ambiante,nous obtenons soit la phase Ge-ST12, soit un mélange des phases Ge-ST12 et Ge-BC8 en fonction de la vitesse de décompression.La nucléation de la phase 2H est donc complexe car elle dépend fortement du chemin de décompression et des conditions hydrostatiques dans la cellule. Ces études révèlent de plus un effet de taille. Dans les nanofils de Ge,nous observons après décompression un retour vers la phase 3C avec une composante amorphe.Les mesures in-situ du gap dans le Ge massif et les nanofils de Ge en fonction de la pression confirment cet effet de taille. Après décompression dans le Ge massif, nous obtenons un gap direct égal à 0,53 eV et un gap indirect valant 0,73 eV. Ces valeurs sont liées à la structure de bandes de la phase Ge-ST12 et s’accordent avec les récents résultats reportés.La mesure dans les nanofils de Ge présente un comportement d’hystérésis avec le retour vers le gap initial après décompression. / We have demonstrated an original way to induce a phase transformation in Si and Ge nanowires under external shear-stress. The transformation results in an unprecedented heterostructure with quasiperiodic embedded Ge-2H nanodomains distributed all along the nanowire. My thesisproject aims at understanding the mechanisms of this phase transformation and at characterizing the physical properties of the heterostructures 2H/3C in Si and Ge nanowires.We have carried out systematic structural analysis in Si- and Ge-2H/3C nanowires to evidence the key parameters of this phase transformation.The phase transformation occurs in shear bands localized along the (2-5-5) direction.The heterostructured nanowires are defined by a specific orientation relationship between the 3C and the 2H bands (both in Si and Ge nanowires)given by(1-10)3C//(-2110)2H and (110)3C//(0001)2H with the 2H bands lying mainly on (115)3C planes.The preliminary studies showed that shear-stress and the thermal budget above a threshold temperature of 350°C in Ge and 500°C in Si are mandatory for this transformation. These conditions meet the common criteria of a martensitic phase transformation. We have identified two key intrinsic parameters:the temperature and the nanowires crystallographic axis.In Si nanowires, we found that the formation of the shear bands i.e. the 2H nanodomains is related to the component of the shear-stress along the glide direction of the 3C/2H interface plane.Based on these results,the transformation could be consistent with a stress relief mechanism through the formation of (5-5-2)(1-15)3C shear bands.We have performed spatially resolved Raman measurements on single Si and Ge heterostructured nanowires to characterize their optical phonon modes.In Ge,we have detected 2 Raman bands at 288 cm⁻ ᴵ and 301 cm⁻ ᴵ attributed to the E2g and E1g + A1g + F2g modes.In Si, we have observed 3 Raman bands at 498, 515 and 520 cm⁻ ᴵ that are associated respectively to the E2g, A1g and F2g modes.Those values agree well with the literature.Moreover, we have performed Fourier Transform Infrared spectroscopy on transformed Ge nanowires to measure the optical band gap of the 2H phase.We have obtained a direct band gap of 0,58 eV attributed to the 2H phase and an indirect bandgap of 0,72 eV that might stem from the 3C phase. Those results are the first experimental data of the Ge-2H band gap.The values align well with the simulations that predict a narrow direct band gap for this structure.The 2H structure can also be achieved in bulk Si and Ge after unloading of the BC8 phase in a diamond anvil cell.The BC8 phase is unstable and convertsinto the 2H phase at room temperature in Ge or by thermal annealing in Si.In order to compare the bulk properties of the 2H phase, we have performedin-situ Raman and X-ray diffraction experiments in bulk samples by studyingvarious unloading pathways. In particular, unloading at room temperature ledto the formation of the ST12 phase or a mixture of the BC8 and ST12 phasesdepending on the unloading rate.The formation of the 2H phase is thuscomplex given its dependency on the unloading conditions and the hydrostaticconditions within the cell that are difficult to garanty. Our studies also reveala size effect. After unloading of Ge-3C nanowires, the nanostructures revertback to the 3C phase with an amorphous component detected.In addition, we have carried out in-situ band gap measurements in bulk Ge and Ge nanowires as a function of pressure.After unloading, we havemeasured optical gap values that are related to the band structure of theGe-ST12 allotrope with a direct bandgap of 0,53 eV and an indirect bandgapof 0,73 eV.Those results are consistent with the experimental values reported.The experiments on Ge nanowires showed an hysteresis behavior with theinitial value of the band gap measured after unloading.Those results clearly evidenced novel relaxation mechanisms at the nanoscale that need to be investigated.

Au cours des dernières années, les efforts de recherche et de développement pour les capteurs de gaz se sont orientés vers l'intégration de nanomatériaux afin d'améliorer les performances des dispositifs. Ces nouvelles générations promettent de nombreux avantages notamment en matière de miniaturisation et de réduction de la consommation énergétique. Par ailleurs, la détection sous gaz (sensibilité, seuil de détection, temps de réponse, ...) s'en retrouve améliorée à cause de l'augmentation du ratio surface/volume de la partie sensible. Ainsi, de tels capteurs peuvent être intégrés dans des systèmes de détections ultrasensibles, autonomes, compactes et transportables. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser des réseaux verticaux de nanofils semi-conducteurs pour créer des dispositifs de détection de gaz hautement sensibles, sélectifs, avec une faible limite de détection (de l'ordre du ppb) et intégrable dans des technologies CMOS, tout en étant générique et adaptable à plusieurs types de matériaux afin de discriminer plusieurs gaz. Une première partie expose la mise au point d'un procédé grande échelle, reproductible, compatible avec l'industrie actuelle des semi-conducteurs (CMOS), pour obtenir un capteur basé sur une architecture 3D à nanofils. Le dispositif est composé de deux contacts symétriques en aluminium à chaque extrémité des nanofils, dont l'un est obtenu par l'approche dite du " pont à air ", permettant la définition d'un contact tridimensionnel au sommet du nanofil. La seconde partie présente les performances sous gaz des dispositifs développés et les mécanismes de fonctionnement. Le capteur démontre des performances record en matière de détection du dioxyde d'azote (30% à 50 ppb) en comparaison à l'état de l'art (25% à 200 ppb). De plus, cette approche permet de mesurer de très faibles concentrations de ce gaz (< 1 ppb) de manière sélective, dans des conditions proches des conditions réelles : humidité (testé jusqu'à 70% d'humidité) et mélange avec d'autres gaz plus concentrés et la réversibilité du capteur est naturelle et se fait à température ambiante sans nécessité des conditions particulières. / In recent years, efforts of research and development for gas sensors converged to use nanomaterials to optimize performance. This new generation promises many advantages especially in miniaturization and reduction of energy consumption. Furthermore, the gas detection parameters (sensitivity, detection limit, response time ...) are improved due to the high surface/volume ratio of the sensitive part. Thus, this sensors can be integrated in ultrasensitive detection systems, autonomous, compact and transportable. In this thesis, we propose to use 3D semiconductor nanowires networks to create highly sensitive and selective gas sensors. The objective of this work is to provide a highly sensitive sensor, featuring a low detection limit (in the ppb range) and embeddable in CMOS devices. In addition process is generic and adaptable to many types of materials to discriminate several gas and converge to electronic nose. The first part of the dissertation is based on development of a large scale, reproducible, compatible with Si processing industry and conventional tools (CMOS), to obtain a sensor based on a 3D nanowire architecture. The device is composed by two symmetrical aluminum contacts at each extremity of the nanowires, including a top contact done by air bridge approach. The second part of this work presents the gas performances of components and working mechanisms associated. A very high response (30%) is obtained at 50 ppb of NO2, compare to the state of the art, 25% reached for 200 ppb. This approach can measure selectively very low concentrations of gas (<1 ppb) in real working conditions: moisture (tested up to 70% moisture) and mixing with other more concentrated gas (interfering gas). In addition, the reversibility of the sensor is natural and occurs at room temperature without requiring specific conditions.