Cette thèse porte d'une part sur l'étude de la stabilité du biexciton dans le nanotube de carbone et, d'autre part, sur le contrôle de l'émission du nanotube par le couplage des nanotubes de carbone à des antennes plasmoniques. La technique de spectroscopie optique non-linéaire de saturation d'absorption, appliquée aux nanotubes de carbone, nous a permis d'effectuer la première observation du biexciton dans cette nanostructure. Plus précisément, deux raies d'absorptions induites sont observées et attribuées au trion et à l'exciton par des études en températures et en puissance du laser de pompe. La mise en oeuvre d'une configuration à trois faisceaux basée sur un schéma en double-pompe permet de confirmer la photo-génération du biexciton en tant qu'excitation élémentaire du nanotube de carbone. Le biexciton est observé avec une énergie de liaison de 107 ± 1 meV pour la chiralité (9,7) et présente un profil asymétrique de Fano. Une première estimation de la dynamique de recombinaisondu biexciton est donnée par description quantitative du processus de Fano. Le modèle est basé sur le formalisme de la susceptibilité non-linéaire du troisième ordre χ(3) incluant le couplage coulombien entre le biexciton et le continuum des paires électron-trou de la première singularité de Van Hove. Le facteur de Fano est évaluée à q = 5 et conduit à l'estimation du taux de recombinaison Auger du biexciton B ∈ [0.1; 1] μm·ps−1 . Le rendement radiatif du biexciton est ainsi estimé à 10−6 .Dans le but d'étudier les nanotubes en cavité plasmonique, une expérience de micro-photoluminescence et une expérience de spectroscopie en champ sombre, sont développés dans le domaine spectrale des télécommunications (1.3 μm et 1.55 μm). La caractérisation de divers types échantillons de nanotube et des antennes plasmoniques sont présentés. Des résultats préliminaires sur un échantillon de nanotubes associés dans une configuration patch à des antennes plasmoniques montrent une corrélation entre la position des antennes et les zones luminescentes, ainsi qu'un changement de l'allure des spectres de photoluminescence. Ces premiers résultats constituent une transition dans la démarche de notre projet. L'étape de calibration des expériences est en phase de finition et l'étude des propriétés physique des nanotubes en cavité plasmonique représente désormais une activité opérationnelle au sein de notre équipe. / This thesis focus on both the biexciton's stability in carbon nanotubes, and the control of the nanotube emission through its coupling to plasmonic antenna.We report the first observation of biexciton in carbon nanotubes by means of spectral holeburning nonlinear optical spectroscopy. More precisely, two induced absorption lines are detected and assigned to trion and biexciton after investigation of their temperature and pump power dependences. An additional proof of the detection of the biexciton, as an elementary excitation of carbonnanotubes, is given in a three-beam configuration based on a two-pump scheme. The biexciton of the (9,7) chirality is observed with a binding energy of 107 ± 1 meV and shows an asymetric Fano lineshape. A first estimation of the biexciton's recombinaison dynamics is given by the quantitative analysis of the nonlinear signal. Our analytic model is formulated in the framework of the chi(3) nonlinear response, including coulomb interaction between biexcitons and free electron-hole pairs lying in the first Van Hove singularity. A Fano factor of about q = 5 is determined, which drives us to the estimation of biexciton's Auger recombinaison rate B ∈ [0.1; 1] μm · ps−1 . The Biexciton's radiative yield is then estimated of the order of 10−6 .In order to study nanotubes in plasmonic cavities, we developed micro-photoluminescence and dark-field spectroscopy experiments in the optical fiber telecommunication wavelengths (1.3 μm and 1.55 μm). Caracterisation of nanotube samples and plasmonic antenna are presented. Preliminary results on nanotubes inserted in a patch antenna have shown correlation between antenna's position and the spatial distribution of luminescence. Moreover, a change in the carbon nanotube's photoluminescence profile is observed. These results appear to be a turning point in our work. The calibration of our experiment is at its end and studies of optical properties of carbon nanotubes coupled to plasmonic antenna are now on stream in our team.

Le but de cette thèse a été d'étudier les propriétés structurales et optiques de puits quantiques (PQs) d’InGaN/(Al)GaN obtenus par épitaxie en phase vapeur d’organométalliques. Différentes approches ont été mises en œuvre pour atteindre une émission dans le vert-jaune: la première utilisant une concentration d'indium ≥ 20% avec un PQ d’InGaN d’épaisseur <3.0 nm et vice versa. L'effet d'une couche d’encapsulation a également été étudié. Les techniques de microscopie à force atomique, de diffraction des rayons X, de photoluminescence (PL) et surtout de microscopie électronique à transmission (MET) ont été utilisées pour caractériser ces structures. Les épaisseurs des PQs et les compositions en indium ont été déterminées par le traitement numérique des franges de réseau dans les images MET haute résolution en section transverse. Un traitement original a été développé pour analyser quantitativement les fluctuations de l’épaisseur des PQs. L'analyse structurale des PQs ayant une composition en In élevé a montré que les défauts structuraux sont créés dans les PQs. La nature et la densité de ces défauts ont été déterminées et différents mécanismes pour leur formation ont été proposés. Il a également été montré que quelques monocouches d’encapsulation de GaN ou d’AlGaN déposées à la température de croissance des PQs limitent l’évaporation et/ou la diffusion d’indium. Ce procédé permet d’étendre la longueur d'onde d'émission avec une réduction de la dégradation de l'efficacité de la PL. Mon travail propose quelques pistes afin d'obtenir un bon compromis entre les paramètres contradictoires qui régissent l'efficacité des PQs émettant dans le vert-jaune. / The goal of this thesis was to study the structural and optical properties of InGaN/(Al)GaN multiple QWs grown by metal organic chemical vapor deposition. Different approaches have been implemented to achieve green-yellow emission: high indium concentration (≥ 20%) with low InGaN QW thickness (< 3 nm) or vice versa. Moreover, the effect of a capping layer on top of the QWs has also been investigated. Atomic force microscopy, X-ray diffraction, room temperature photoluminescence (RTPL) and mainly transmission electron microscopy (TEM) techniques have been used to characterize these structures. The QW thicknesses and indium compositions have been determined by digital processing of lattice fringes in cross-sectional high resolution TEM images. An original treatment has been developed to analyze quantitatively InGaN QW thickness fluctuations. The structural analysis of multiple QWs with high indium composition has shown that structural defects are created in the QWs. The nature and the density of these defects have been determined and different mechanisms for their formation have been proposed. It has also been shown that a few monolayers of AlGaN or GaN capping layers deposited at the InGaN QW growth temperature prohibited indium evaporation and/or diffusion. It therefore helps to extend the emission wavelength with a reduced degradation of the RTPL efficiency. My work offers a few ways to obtain a good compromise between the conflicting parameters that govern the efficiency of QWs emitting in the green-yellow spectrum range.

Ces travaux de doctorat proposent d’apporter une contribution à l’identification et à la compréhension des phénomènes limitant les performances de détecteurs de rayon X à base de CdTe:Cl développés pour des applications en radiographie. En effet, des inhomogénéités spatiales non-stables dans le temps sont observées dans la réponse de ces capteurs. Les défauts des cristaux utilisés pour la détection ont été caractérisés. Notamment, les dislocations révélées par attaque chimique et par topographie X présentent des arrangements en mur à la surface des échantillons, ces défauts sont majoritairement traversant dans toute l’épaisseur du cristal. Il a ensuite été montré que ces murs de dislocations sont responsables des inhomogénéités de photo-courant sous irradiation par des rayons X et de courant de fuite d’un détecteur à base de CdTe:Cl. De plus, les niveaux pièges dans le gap du CdTe ont été investigués par des méthodes de spectroscopie optique à basse température : les images de cathodoluminescence mettent en évidence le caractère non-radiatif des murs de dislocations, mais ne montrent pas l’apparition de la luminescence Y au niveau de ces défauts, normalement attribuée aux dislocations dans la littérature. Enfin, l’influence des murs de dislocations sur les propriétés de transport des porteurs de charge a été étudiée par la méthode « Ion Beam Induced Current » (IBIC) montrant qu’ils entraînent une diminution de la valeur du produit mobilité-temps de vie des électrons et des trous / In the present Ph.D. thesis, we investigate microstructural defects in a chlorine-doped cadmium telluride crystal (CdTe:Cl), to understand the relationship between defects and performance of CdTe-based radiation detectors. Characterization tools, such as diffraction topography and chemical etching, are used for bulk and surface investigations of the distribution of dislocations. Dislocations are arranged into walls. Most of them appear to cross the whole thickness of the sample. Very good correlation is observed between areas with variations of dark-current and photo-current, and positions of the dislocation walls revealed at the surface of the sample. Then spectroscopic analysis of these defects was performed at low temperatures. It highlighted that dislocation walls induce non-radiative recombination, but it didn’t show any Y luminescence usually attributed to dislocations in the literature. Ion Beam Induced Current (IBIC) measurements were used to evaluate the influence of dislocation walls on charge carrier transport properties. This experiment shows that they reduce the mobility-Iifetime product of the charge carriers. A very clear correlation was, in fact, established between the distribution of the dislocation network and the linear defects revealed by their lower CIE on the device

Les propriétés optiques de nanotubes de carbone sont décrites idéalement parla physique d’un objet unidimensionnel, donnant lieu notamment à l’apparition des excitons pour décrire les transitions optiques de ces objets. Les expériences d’optique(émission, absorption) réalisées sur ces objets à température ambiante et sur des ensemble d’objets ont permis de confirmer les prédictions théoriques basées sur la physique des objets 1D. Mais à température cryogénique et à l’échelle de l’objet unique,les propriétés optiques observées expérimentalement sont systématiquement très éloignées de celles d’un objet 1D. On peut notamment citer l’apparition de propriétés comme l’émission de photons uniques, qui a largement contribué à l’intensification de la recherche sur ces objets pour des applications en photonique quantique. Ces propriétés sont attribuées à la localisation des excitons le long de l’axe des nanotubes dans des puits de potentiel créés aléatoirement par l’interaction des nanotubes avec leur environnement. Les propriétés optiques sont alors proches de celles des objets0D, et sont fortement modulées par l’environnement. Les mécanismes et l’origine de la localisation et la connaissance physique de ces puits sont encore très limités. Ce travail montre d’une part le développement d’une technique d’absorption sur objet individuel et la caractérisation de sa sensibilité, et d’autre part l’étude statistique de l’émission de nanotubes à température cryogénique. Les résultats obtenus par une technique de super-résolution couplée à une imagerie hyper-spectrale montrent les grandeurs caractéristiques des puits de potentiels au sein de nanotubes individuels.Un dispositif expérimental de photoluminescence résolue en excitation implémenté au cours de ce travail a également montré une modification de l’état excitonique fondamental par l’environnement, avec l’apparition d’une discrétisation spatiale et spectrale de l’état fondamental délocalisé en une multitude d’états localisés. / The optical properties of carbon nanotubes are ideally described by the physicsof a one-dimensional object, giving rise in particular to the emergence of excitons todescribe the optical transitions of these objects. The optical experiments (emission,absorption) carried out on these objects at ambient temperature and on ensemblesconfirm the theoretical predictions based on the physics of 1D objects. But atcryogenic temperature and at the single emitter scale, the optical properties observedexperimentally are systematically different from those of a 1D object. One can citethe emergence of properties such as photon antibunching, which largely contributed tothe intensification of research on these objects for applications in quantum photonics.These properties are attributed to the localization of excitons along the nanotube axisin local potential wells (traps) created randomly by the interaction of nanotubes withtheir environment. The optical properties are then close to those of 0D objects, andare strongly modulated by the environment. The mechanisms and the origin of thelocalization and the physical knowledge of these traps are still very limited. This workshows on the one hand the development of an absorption setup on individual objectand the characterization of its sensitivity, and on the other hand the statistical studyof the emission of nanotubes at cryogenic temperature in a micro-photoluminescencesetup. The results obtained in the later setup by a super-resolution technique coupledwith hyper-spectral imaging show the characteristic quantities of potential wellswithin individual nanotubes. An experimental excitation-resolved photoluminescencesetup implemented during this work also showed a modification of the fundamentalexcitonic state by the environment, with the emergence of a spatial and spectraldiscretization of the delocalized ground state in a multitude of localized states.

La Sonde Atomique Tomographique (SAT) assistée par laser (La-APT) est un outil puissant pour étudier la distribution atomique 3D des espèces chimiques dans une grande variété de matériaux semi-conducteurs. Cependant, des biais de composition importants affectent les analyses de sondes atomiques révélant une composition non stœchiométrique. Dans cette thèse, une étude systématique de certains semi-conducteurs binaires (GaN, GaAs, ZnO) et ternaires (AlGaN, MgZnO) a été menée afin de: (i) obtenir une description cohérente des biais de composition en APT; (ii) identifier les mécanismes physiques à l'origine de ces biais; (iii) évaluer les conditions expérimentales pour lesquelles l'analyse compositionnelle est fiable. Afin d’interpréter les résultats, l’hypothèse de l’évaporation préférentielle d’espèces métalliques (Ga, Al, Zn, Mg) à haut champ et d’émission de molécules neutres non métalliques (N2, O2) à champ bas a été proposée. Un autre objectif important de cette thèse est orienté vers la physique des matériaux. L’étude de la composition et la morphologie de certains dispositifs d’intérêt technologique, tels que les systèmes à multi-puits quantiques, est très important. Dans cette perspective, la connaissance du champ de composition 3D et de la morphologie de ces systèmes est essentielle car ces caractéristiques déterminent leurs propriétés optiques et électriques. Pour ce faire, une approche par microscopie corrélative peut être adoptée. Cette approche a été appliquée avec succès à l'étude des multi-puits quantiques ZnO/MgZnO conçus pour les lasers à cascade quantique. Les propriétés structurales, compositionnelles et optiques ont été étudiées en effectuant la tomographie par électrons (ET) - micro-photoluminescence (µ-PL) corrélative sur les mêmes échantillons de sonde atomique. Les analyses complémentaires APT et ET donnent une image claire de la structure et de la composition du système étudié, révélant d'importants phénomènes de décomposition dans l'alliage MgZnO. En particulier, La SAT s’est révélé une technique unique pour une évaluation directe de la composition locale. De plus, la µ-PL apparait extrêmement utile pour obtenir des informations relatives à la composition, en lien avec les résultats de La-APT. Enfin, nous présentons une nouvelle approche in-situ corrélative dans laquelle les mesures APT et µ-PL sont exécutées simultanément. Grâce au développement d'une sonde atomique tomographique spécialement conçue, on démontre que la µ-PL peut être mesurée avec succès sur une pointe de sonde atomique Zn :/MgZnO pendant nos analyse. Ceci est extrêmement attrayant car cela permet de corréler strictement le signal de photoluminescence avec les volumes explorés à l'échelle nanométrique. En principe, émission depuis des d'émetteurs de lumière quantiques uniques (c'est-à-dire un seul QW ou QD) peut être révélée. La nouvelle approche présentée peut être étendue à un large éventail de matériaux, ouvrant de nouvelles perspectives pour les études corrélatives. / Laser-assisted Atom Probe Tomography (La-APT) is a powerful tool for investigating the 3D atomic distribution of the chemical species in a wide variety of semiconductor materials. However, important compositional biases affect atom probe analyses revealing a non-stoichiometric composition. In the thesis a systematic study of selected binary (GaN, GaAs, ZnO) and ternary (AlGaN, MgZnO) semiconductors of high technological interest was developed in order to: (i) obtain a coherent description of the compositional biases in APT; (ii) identify the physical mechanisms leading to these biases; (iii) assess the experimental conditions for which the compositional analysis is reliable. In order to interpret the results, the hypothesis of preferential evaporation of metallic species (Ga, Al, Zn, Mg) at high field and emission of neutral non-metallic molecules (N2, O2) at low field has been proposed. Another important aim of this thesis is materials physics-oriented. It is indeed of utmost importance to study both composition and morphology of some devices of technological interest, such as in multi-quantum-well systems. In this perspective, the knowledge of 3D composition field and morphology is essential because these features determine the optical and electrical properties of the systems. In order to do it, a correlative microscopy approach can be adopted. This approach was successfully applied to the study of ZnO/MgZnO multi-quantum wells designed for quantum cascade lasers. Structural, compositional and optical properties were investigated performing correlative La-APT - Electron Tomography (ET) - micro-PhotoLuminescence (µ-PL) on the same atom probe tip specimens. The complementary APT and ET analyses yield a clear picture of the structure and composition of the system investigated, revealing important decomposition phenomena in the MgZnO alloy. In particular, La-APT proved to be a unique technique for a direct assessment of local composition. Moreover, µ-PL also proved to be extremely useful in order to get information related the composition, supporting La-APT results. Finally, a new correlative in-situ approach in which La-APT and µ-PL are simultaneously performed is presented. Thanks to the development of a specially designed tomographic atom probe, it is shown that µ-PL can be successfully performed on a single Zno/MgZnO atom probe tip during La-APT. This is extremely attractive and challenging because allows to strictly correlating the variation photoluminescence signal with nano-metric scale volumes of the tip evaporated during APT. In principle, the emission of single quantum light emitters (i.e. single QW or QD) can be revealed. The new approach presented can be extended to a wide range of materials, opening new perspectives for correlative studies of single atom probe tips.

Un-doped, Tb3+ as well as Yb3+ doped ZnO nanocrystals with different concentrations of RE3+ (Tb3+, Yb3+) ions were successfully synthesized via sol-gel method to produce rare earth activated zinc oxide nanophosphors. The phosphor powders were produced by drying the precursor gels at 200˚C in ambient air. Based on the X-ray diffraction results, it was found that the pure and RE3+ doped ZnO nanophosphors were highly polycrystalline in nature regardless of the incorporation of Tb3+ or Yb3+ ions. Moreover, the diffraction patterns were all indexed to the ZnO Hexagonal wurtzite structure and belong to P63mc symmetry group. The Raman spectroscopy confirmed the wurtzitic structure of the prepared samples. Elemental mapping conducted on the as prepared samples using Scanning electron microscope (SEM) equipped with energy dispersive X-ray spectrometer (EDX) revealed homogeneous distribution of Zn, O, and RE3+ ions. The high resolution transmission electron microscope (HR-TEM) analyses indicated that the un-doped and RE3+ doped samples were composed of hexagonal homogeneously dispersed particles of high crystallinity with an average size ranging from 4 to 7 nm in diameter, which was in agreement with X-ray diffraction (XRD) analyses. ZnO:Tb3+ PL study showed that among different Tb3+ concentrations, 0.5 mol% Tb3+ doped ZnO nanoparticles showed clear emission from the dopant originating from the 4f-4f intra-ionic transitions of Tb3+ while the broad defects emission was dominating in the 0.15 and 1 mol% Tb3+doped ZnO. Optical band-gap was extrapolated from the Ultraviolet Visible spectroscopy (UV-Vis) absorption spectra using TAUC‟s method and the widening of the optical band-gap for the doped samples as compared to the un-doped sample was observed. The PL study of ZnO:Yb3+ samples was studied using a 325 nm He-Cd laser line. It was observed that the ZnO exciton peak was enhanced as Yb3+ions were incorporated in ZnO matrix. Furthermore, UV-VIS absorption spectroscopic study revealed the widening of the band-gap in Tb3+ doped ZnO and a narrowing in the case of Yb3+ doped ZnO system. X-ray photoelectron spectroscopy demonstrated that the dopant was present in the doped samples and the result was found to be consistent with PL data from which an energy transfer was evidenced. Energy transfer mechanism was evidenced between RE3+ and ZnO nanocrystals and was discussed in detail. / Physics / M.Sc. (Physics)

Ce travail a été réalisé au Centre de Recherche en Nanofabrication et Nanocaractérisation (CRN[indice supérieur 2]) de l'Université de Sherbrooke. Il porte sur l'étude, la réalisation et la caractérisation de structures métal - isolant - semiconducteur (MIS) sur nitrure de gallium. Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semiconducteur de la famille III-V à large bande interdite directe, ayant des propriétés électriques, physiques et mécaniques très intéressantes. Il a été découvert depuis plus de quatre décennies. Les difficultés de son élaboration, les problèmes d'inefficacités du dopage p et les densités élevées des défauts cristallins dans les couches épitaxiées, ont constitué pendant longtemps des obstacles majeurs au développement de la technologie GaN [I. Akasaki, 2002]. Il a fallu attendre jusqu'au début des années 1990 pour voir apparaître des couches de meilleure qualité et pour améliorer l'efficacité du dopage p [J.Y. Duboz, 1999]. Cet événement a été l'étape majeure qui a révolutionné la technologie à base de GaN et a permis d'amorcer son intégration dans le milieu industriel. Depuis, la technologie à base de ce matériau ne cesse de progresser à un rythme exponentiel. Il se présente aujourd'hui comme un matériau de choix pour la réalisation de dispositifs électroniques de puissances et de hautes fréquences pouvant fonctionner dans des milieux hostiles. Grâce à sa bande interdite directe et son pouvoir d'émission à faible longueur d'onde, il est aussi très convoité pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques de hautes performances en émission ou en détection, tels que les DELs, Lasers ou les photodétecteurs. Malgré l'avancé rapide qu'a connu le GaN, certains aspects de ce matériau restent encore mal maîtrisés, tels que la réalisation de contacts ohmiques de bonne qualité ou encore le contrôle des interfaces métal/GaN et isolant/GaN. Les hétérostructures isolant/GaN sont caractérisées par une forte densité d'états de surface (D[indice inférieur it]). Ce phénomène, aussi rapporté sur GaAs et sur la plupart des matériaux III-V, induit l'ancrage du niveau de fermi au centre de la bande interdite. Il constitue l'un des freins majeurs au développement d'une technologie MIS (MOS) fiable sur GaN. À travers ce document, nous rapportons les résultats des travaux entrepris pour la réalisation de capacités MIS, de contacts ohmiques et de diodes Schottky sur les deux types de substrat GaN et p-GaN. Le diélectrique utilisé comme couche isolante pour les structures MIS est le Nitrure de Silicium (Si[indice inférieur x]N[indice inférieur y]) déposé par PECVD. Ces travaux constituent une introduction aux procédés de microfabrication sur nitrure de gallium, aux difficultés liées aux effets de surface dans le GaN et aux étapes de préparation chimique en vue de minimiser la densité de charges d'état à l'interface métal/GaN et diélectrique/GaN. La première partie du document est dédiée à la caractérisation optique et électrique des substrats GaN utilisés par étude de spectroscopie de photoluminescence (PL) et par étude Schottky.

published_or_final_version / abstract / Physics / Doctoral / Doctor of Philosophy

<p>This thesis deals with synthesis and characterization of newoligothiophenes and derivatives thereof, for use as organicsemiconductors in optical and electronic applications, such asfield-effect transistors and light-emitting diodes. Much workis devoted to the development of new synthetic strategies forinteresting building blocks, to beused for synthesizing suchmaterials. One series of regio-defined oligothiophenes, up tothe octamer, has been prepared and evaluated. Photoluminescencequantum efficiencies of these were 22-31 % in solution, butdropped to 2-5 % in the solid state. Another project deals withthe development of oligothiophenes with in-chain chirality.These may find use in polarized lightemitting diodes. Finally,two oligothienyl-substituted porphyrins have been synthesizedand are currently evaluated for use in light-emitting diodesand possibly in solar cells.</p>

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