La maîtrise des techniques de fabrication de matériaux nanostructurés a fait émerger ces dernières années de nouvelles problématiques relatives aux transferts thermiques à très courtes échelles d'espace et de temps. L'étude thermique s'effectue alors à partir de l'équation de transport de Boltzmann (ETB) pour les phonons qui sont les principaux porteurs de chaleur dans les semi-conducteurs. Ce travail résout l’ETB par une méthode statistique de type Monte Carlo en suivant le déplacement des phonons dans une nanostructure cristalline (de type nanofilm ou nanofil). On s’intéresse en particulier aux structures poreuses homogènes et avec gradient de porosité, ainsi qu’aux nanofils modulés en diamètre qui offrent des perspectives intéressantes en terme de réduction de conductivité / Since the past decades, progresses in nanomaterials engineering raise new questions about heat transport processes at very short time and space scales. Thermal properties of nanoscaled devices are determined from the resolution of the Boltzmann Transport Equation (BTE) for phonons, which are the main heat carriers in semiconductors. In this study, BTE is solved with a numerical tool based on a statistical method (Monte Carlo) which tracks phonons’ motion in two kinds of nanostructures: nanofilms and nanowires. We focus on the effect of homogeneous and heterogeneous porous materials as well as nanowires with varying diameters. All these devices present interesting prospects regarding thermal conductivity reduction

<p> Field modulation techniques were used to observe the de Haas-van Alphen effect in magnetic fields up to 5.5 tesla and at temperatures below 1.1°K. A data acquisition system recorded on magnetic tape the large amount of data necessary for computer fourier analysis of the oscillations. All of the orbits predicted by Keeton and Loucks' model of the Fermi surface of mercury were at least tentatively identified. The data on the β, τ and α orbits were in essential agreement with previous work. The γ and X-face orbits were also investigated in some detail, while tentative identification was made of the μ and T-face orbits. When the data permitted, the areas were fitted to ellipsoids or hyperboloids of revolution by a least squares calculation.</p> <p> A search was made for modifications to the de Haas-van Alphen theory due to phonons. Accurate torque de Haas-van Alphen amplitude measurements were taken as a function of temperature and magnetic field. The analysis of the results revealed no systematic dependence of either the cyclotron effective mass or the Dingle temperature on temperature from 1.25°K to 4.2°K or on magnetic field from 1.5 tesla to 2.3 tesla. Thus no effects due to phonons were observed.</p> <p> A method of observing the open orbits in metallic single crystals was developed and used to observe the open orbits in mercury. The method utilized the eddy currents induced in the sample by the rotation of a magnetic field. This provided a signal which was dependent on the conductivity in the plane perpendicular to the open orbit. The torque amplitude, which indicated the number of open orbit carriers, was used to detect the angular range of the bands of open orbits in mercury. The method was experimentally simple since no special sample geometry was necessary and no electrical connections to the sample were needed.</p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

No description available.

No description available.

We examined the formation of Intrinsically Localized Modes (ILMs) for a pair of harmonic phonons along the direction [111] of the Sodium Iodide (NaI) crystalline lattice. The tendency for ILMs to form at a certain center-of-mass momentum ▁q and corresponding relative momentum vector ▁k is attributed to the van-Hove singularities condition in the non-interaction two-phonon density of states continuum. We observed that, as ▁q converges to the high-symmetry point L=▁q (π/a,π/a,π/a) of the Brillouin zone, the relative momentum vector ▁k remains invariant at ▁k (π/2,π/2,π/2) for a certain threshold value of ▁q, and coalesces at the upper-edge of the two-phonon density of states spectrum with high degeneracy in the two-phonon critical energy. We conclude that the excitation spectra of the pairs of harmonic phonon excitations become energetically degenerate past the threshold ▁q value towards L at the invariant vector ▁k, announcing the strong presence of ILMs. The calculated ILMs were observed at critical energies of 20.0 meV and 25.0 meV for the spring coupling constants ratios K_2/K_1 ≈0.598 and K_2/K_1 ≈0.202 respectively. Reports of Inelastic Neutron Scattering experiments have identified one-phonon breather excitations energy of 10.2 meV at elevated temperatures of 555 K. The formation of ILMs, or multi-phonon bound states, is expected to arise as a result of the anharmonic interactions that lift these degeneracies to enhance the formation of ILMs. / Physics

Les cristaux apériodiques possèdent la propriété d’avoir un ordre à grande distance mais sans la symétrie de translation. Ces cristaux se décrivent dans des superespaces cristallographiques de dimension supérieure à trois. Dans ce mémoire, nous nous intéressons plus particulièrement aux brisures de symétrie présentes dans de tels espaces cristallographiques en considérant la famille prototype de n-alcane/urée. Des études par diffraction de rayons X sur sources synchrotron révèlent de multiples solutions structurales impliquant des changements ou non de la dimension du groupe de superespace. Une fois la caractérisation du paramètre d’ordre et de la brisure de symétrie faite nous présentons les phénomènes prétransitionnels critiques associés à ces transitions de phase de type groupe/sous-groupe. La diffusion cohérente de neutrons et la diffusion de rayons X inélastiques permettent une analyse dynamique des différentes excitations dans ces matériaux (phonons, phasons). Les composés d’inclusion avec des molécules invitées courtes (alcane CnH2n+2 avec n variant de 7 à 13) révèlent à température ambiante des phases « quasi-liquides » uni-dimensionnelles. Ce désordre dynamique le long de la direction d'incommensurabilité de ces matériaux génère à basse température des solutions structurales nouvelles (composite monoclinique intermodulé, ancrages commensurables). / Aperiodic crystals have the property to possess long range order without translational symmetry. These crystals are described within the formalism of superspace crystallography. In this manuscript, we will focus on symmetry breakings which take place in such crystallographic superspace groups, considering the prototype family of n-alkane/urea. Studies performed by X-ray diffraction using synchrotron sources reveal multiple structural solutions implying or not changes of the dimension of the superspace. Once the characterization of the order parameter and of the symmetry breaking is done, we present the critical pretransitionnal phenomena associated to phase transitions of group/subgroup types. Coherent neutron scattering and X-ray scattering allow a dynamical analysis of different kind of excitations in these materials (phonons, phasons). The inclusion compounds with short guest molecules (alkane CnH2n+2, n varying from 7 to 13) show at room temperature unidimensional “liquid-like” phases. The dynamical disorder along the incommensurate direction of these materials generates new structural solutions at low temperature (intermodulated monoclinic composite, commensurate lock-in).

The performance of electrical and optical devices based on two-dimensional semiconductors (2D) such as molybdenum disulfide is critically influenced due to very poor light absorption in the atomically thin layers. In this study, the phonon mediated optical absorption and emission properties in single atomic layers of MoS2 have been investigated. The electronic transitions in MoS2 due to near-field optical interaction and the influence of interface phonons due to the dielectric substrate GaN on the relaxation of optically generated carriers will be described. The near-field interaction can be induced in the presence of metal plasmons deposited on the surface of MoS2 monolayers. A hybrid metal-semiconductor system was realized by the deposition of silver (Ag) NPs on MoS2 layer and the localized plasmon modes were selectively chosen to interact with quasiparticles such as excitons and phonons. These quasiparticles are confined within the single atomic layer of MoS2 and are stable at room temperatures due to high binding energy. The lattice vibrational modes in MoS2 can be optically excited with the pulses from a femtosecond laser. These phonon modes can be optically dressed due to near-field interaction in the hybrid Ag-MoS2 system under an optical excitation resonant to localized plasmon modes. The coherent dynamics of the carriers in MoS2 were manipulated by the generation of dressed phonons. The driving field creates a coherence between the ground levels in the presence of optical near-field. A strong coupling between the exciton and plasmon modes forming a plexciton band is observed at room temperature within the coherence lifetime of the system. A significant enhancement of photoluminescent (PL) emission from MoS2 monolayer occurs due to carrier density modulation in the presence near-field interactions. The absorption and emission properties of MoS2 are influenced due to the interactions with the semiconducting substrate. The coupling of carriers in MoS2 with the interfacial phonons, and the charge and energy transfer across the interface in 2D MoS2-GaN (0001) significantly change the UF absorption properties and the relaxation of carriers from the excitonic absorption states. An increased light absorption and enhanced PL emission from the single atomic layer of MoS2 was observed. The phonon-assisted processes can activate the dipole forbidden transitions and hence can explain the interaction of incident light in single atomic layer of MoS2. The MoS2-GaN heterostructure provides a platform to exploit strong coupling between the free carriers or excitons, plasmons and phonons. The gold (Au) NPs have a plasmon energy resonant to MoS2 and hence results in the strong exciton-plasmon coupling due to near-field interaction. In the meantime, the localized plasmon energy of platinum (Pt) NPs is selected to be in resonance to GaN bandedge emission and resonant to C excitonic state in MoS2. The localized plasmons in Pt can actively interact with carriers in MoS2 near Γ-point. The non-equilibrium absorption characteristics of MoS2 nanosheets on GaN hybridized with Au and Pt NPs are influenced due to activation of the defect levels of GaN induced due to interband optical excitation.

Les pérovskites hybrides halogénées (ABX3) sont utilisées depuis cinq ans comme couches absorbantes pour de nouvelles cellules solaires à bas coût combinant les avantages des matériaux organiques (molécule A) et inorganiques (métal B et halogène X). Très récemment, des cellules solaires à boîtes quantiques à bases de pérovskites purement inorganiques ont également montré des efficacités prometteuses, ce qui en fait une alternative potentiellement stable et efficace à leurs cousins hybrides.Le but de cette thèse de doctorat est d'étudier et de mieux comprendre les instabilités structurelles et thermodynamiques de ces pérovskites halogénées, avec un focus sur la pérovskite purement inorganique CsPbI3.Dans un premier temps les propriétés vibrationnelles et électroniques des différentes phases de CsPbI3 sont étudiées grâce à différentes techniques ab-initio, dont la plupart sont basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et son approche en réponse linéaire (DFPT). Alors que la phase γ noire, cruciale pour les applications photovoltaïques, se comporte de manière harmonique autour de l'équilibre, pour les trois autres phases nos calculs de phonons froids révèlent une instabilité de double puits au centre de la zone de Brillouin. Nos calculs montrent également que le terme d'entropie d'ordre-désordre lié à ce double puits est crucial pour empêcher la formation de la phase pérovskitoïde jaune. Nous analysons ensuite en détail les changements structurels et l’effet Rashba dynamique le long de trajectoires de dynamique moléculaire à la lumière de ces résultats.La seconde partie de la thèse porte sur la stabilité thermodynamique de la pérovskite hybride MAPbI3. Notre étude expérimentale par ellipsométrie apporte une meilleure compréhension de la décomposition chimique de MAPbI3 en ses deux précurseurs, l’iodure de méthylamonium et l'iodure de plomb, que nous avons prédite grâce à des calculs de diagrammes de stabilité DFT et que nous confirmons par diffraction des rayons X. Enfin, nous démontrons que la pérovskite hybride MAPbI3 se comporte davantage comme les composés inorganiques (grande constante diélectrique, faible énergie de liaison des excitons) que comme les matériaux organiques (faible constante diélectrique, forte énergie de liaison d'exciton). / Hybrid halide perovskites (ABX3) have emerged over the past five years as absorber layers for novel high-efficiency low-cost solar cells combining the advantages of organic (molecule A) and inorganic (metal B, halogen X) materials. Very recently, fully inorganic perovskite quantum dots also shown promising efficiencies, making them a potentially stable and efficient alternative to their hybrid cousins.The aim of this PhD thesis is to study and better understand both the structural and thermodynamic instabilities of these halide perovskites, with a specific focus on purely inorganic CsPbI3 structures.We first use various ab-initio techniques, the majority of which are based on Density Functional Theory (DFT) and its linear-response approach (DFPT), to investigate the vibrational and electronic properties of the different phases of CsPbI3. While the black γ-phase, crucial for photovoltaic applications, is shown to behave harmonically around equilibrium, for the other three phases frozen phonon calculations reveal a Brillouin zone center double-well instability. We also show that avoiding the order-disorder entropy term arising from these double-well instabilities is key in order to prevent the formation of the yellow perovskitoid phase, and evidence a Rashba effect when using the symmetry breaking structures obtained through frozen phonon calculations. We then analyze the structural changes and the dynamical Rashba splitting along molecular dynamics trajectories in the light of our findings.In a second phase, we investigate the thermodynamical stability of hybrid perovskite MAPbI3. Our experimental ellipsometry-based study brings better understanding of the chemical decomposition of MAPbI3 into its two precursors, methylammonium and lead iodides, which we predicted using DFT stability diagram calculations and which we confirm by X-Ray diffraction. Last, we prove that hybrid perovskite structure MAPbI3 behaves more like inorganic compounds (high dielectric constant, low exciton binding energy) than like organic materials (low dielectric constant, high exciton binding energy).

Le formalisme des fonctions de Green hors-équilibre (NEGF pour « Non-equilibrium Green’s function) a suscité au cours des dernières décennies un engouement fort pour étudier les propriétés du transport quantique des nanostructures et des nano-dispositifs dans lesquels les interactions inélastiques, comme la diffusion des électrons-phonons, jouent un rôle significatif. L'incorporation d'interactions inélastiques dans le cadre du NEGF s’effectue généralement dans l'approximation auto-cohérente de Born (SCBA pour « Self-consistent Born approximation) qui représente une approche itérative plus exigeante en ressources numériques. Nous proposons dans ce travail de thèse une méthode efficace alternative dite LOA pour (« Lowest Order Approximation. Son principal avantage est de réduire considérablement le temps de calcul et de décrire physiquement la diffusion électron-phonon. Cette approche devrait considérablement étendre l'accessibilité de l'utilisation de codes atomistiques de transport quantique pour étudier des systèmes 3D réalistes sans faire à des ressources numériques importantes. / Non-equilibrium Green’s function (NEGF) formalism during recent decades has attracted numerous interests for studying quantum transport properties of nanostructures and nano-devices in which inelastic interactions like electron-phonon scattering have a significant impact. Incorporation of inelastic interactions in NEGF framework is usually performed within the self-consistent Born approximation (SCBA) which induces a numerically demanding iterative scheme. As an alternative technique, we propose an efficient method, the so-called Lowest Order Approximation (LOA) coupled with the Pade approximants. Its main advantage is to significantly reduce the computational time, and to describe the electron-phonon scattering physically. This approach should then considerably extend the accessibility of using atomistic quantum transport codes to study three-dimensional (3D) realistic systems without requiring numerous numerical resources.

Les expériences présentées portent sur l'étude du transport de phonons de haute fréquence dans les semiconducteurs, en particulier leur analyse spectrale. Tout d'abord nous avons développé une technique de spectrométrie de phonons basée sur la mesure par temps de vol de la dispersion chromatique des phonons balistiques dans la gamme de centaines de GHz. Des informations précises sur l'interaction électron-phonon dans les semiconducteurs ont été obtenues : dans le germanium, l'absorption résonnante de phonons entre les niveaux singulet et triplet de l'état de base de l'impureté Sb et les règles de sélection sur les polarisations de phonons s'y attachant ont été vérifiées avec précision. La séparation accordable des niveaux d'énergie avec une pression uniaxiale nous a permis de déterminer la composition spectrale des impulsions de phonons transmis. Dans InSb (dégénéré) de type n, nous avons mis en évidence la non-interaction entre modes transverses et électrons de conduction. Dans le cas des modes longitudinaux, l'interaction est caractérisée par une coupure abrupte à haute fréquence lorsque le vecteur d'onde atteint le diamètre de la sphère de Fermi (2kF). Cette coupure, combinée à la détection à seuil de jonctions tunnel supraconductrices a été mise à profit pour réaliser une spectroscopie à 2kF, sans paramètre ajustable, des impulsions de phonons transmises dans le cristal. Des résultats sur la génération de phonons par excitation laser directe sont également présentés.