Cette thèse traite de comportements non-linéaires dans deux types de systèmes bidimensionnels différents: les hétérostructures semiconductrices ainsi qu'un matériau monocouche, le graphène. Elle comporte deux axes principaux: l'étude de la quantification de Wannier-Stark dans les super-réseaux de puits quantiques biaisés électriquement, et la modélisation d'effets nouveaux pour la génération de rayonnement électromagnétique dans le domaine Terahertz. Dans les super-réseaux de puits quantiques soumis à une tension externe, le champ électrique induit un confinement bidimensionnel des porteurs de charge nommé quantification de Wannier-Stark. On modélise deux conséquences originales de cette quantification: d'une part, les fortes non-linéarités de photocourant dans un super-réseau placé entre deux barrières tunnel épaisses, et d'autre part, la possibilité de contrôler électriquement le couplage lumière-matière et le gain dans la gamme Terahertz dans un super-réseau biaisé couplé à une microcavité planaire. Dans un second temps, on étudie quantitativement deux effets non-linéaires nouveaux pour la génération Terahertz. Le premier est l'exaltation de l'émission Terahertz dans un système polaritonique en régime de laser à polaritons. On modélise précisément cet effet et on propose un nouveau dispositif utilisant une microcavité double et permettant de réduire très significativement les pertes par diffusion. Le second effet étudié est le transfert d'impulsion photonique dans le graphène sous excitation impulsionnelle. On construit un modèle microscopique prédictif de ce phénomène qui permet de déterminer les paramètres importants pour l'optimisation de l'impulsion Terahertz générée. Ce travail théorique a été mené en étroite collaboration avec plusieurs équipes expérimentales. / This thesis treats of nonlinear behaviors in two different types of bidimensional systems: semiconductor heterostructures as well as a monolayer material, graphene. It consists into two main parts: the study Wannier-Stark quantification in electrically biased quantum well superlattices, and the modelling of new effects for electromagnetic wave generation in the Terahertz range. In quantum well superlattices under an external voltage, the electric field induces bidimensional confinement of the charge carriers, this effect is known as Wannier-Stark quantification. We examine two interesting consequences of this confinement: the strong photocurrent nonlinearities induced when the superlattice is placed between thick tunnel barriers, and the possibility to control light-matter coupling as well as Terahertz gain in superlattices coupled to a semiconductor microcavity. In a second part of this work, we study quantitatively two new nonlinear effects for Terahertz generation. The first one is Terahertz emission exaltation in a polaritonic system reaching the polariton lasing regime. We model precisely this effect and suggest a new scheme using a double microcavity and providing very significant reduction of the diffusion losses. The second effect is photon drag in graphene under pulsed excitation. We build a microscopic and predictive model for this phenomenon which provides a comprehensive insight on the relevant parameters for the optimisation of the Terahertz generation. This theoretical work was done in tight collaboration with several experimental groups.

Les nanostructures semiconductrices isolées possèdent la propriété de confiner les charges sur des temps longs. La rétention de charges dépend de plusieurs paramètres tels que la taille de la nanostructure, la densité et la qualité de l'interface avec le diélectrique. Nous avons exploré ces propriétés à l'aide d'un AFM à l'air par microscopie à force électrostatique (EFM). L'EFM permet d'injecter des charges localement puis de sonder avec une sensibilité de quelques dizaine d'électrons seulement les comportements individuel aussi bien que collectif des nanostructures. Nous avons caractérisé l'interaction pointe-surface non-linéaire pour un couplage électrostatique, puis avons étudié le comportement de nanostructures de Si ou Ge déposées sur du SiO2. Nous avons mis en évidence d'une part la saturation du nuage de charge dans un nappe de nanocristaux, et d'autre part la propagation inhomogène de la charge à l'échelle de l'heure dans une nappe de nanocristaux plus dense.