Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre d'un transfert vers l’industrie d’une technologie de marquage à base de nanoparticules photoluminescentes, développée au sein de l’équipe Nanotech du LPCNO et destinée au domaine de l’anti-contrefaçon. Ces travaux ont porté sur la réalisation de marqueurs micrométriques constitués d’assemblées de nanocristaux de CdSe/CdS présentant une émission de photoluminescence dans le visible avec un rendement quantique élevé et stable. Ces nanocristaux sont déposés de façon dirigée sur des surfaces par nanoxérographie: cette technique consiste à injecter des charges électrostatiques dans un matériau électret afin de former des motifs micrométriques servant ensuite de pièges électrostatiques pour assembler, en surface de l’électret, des nano-objets chargés et/ou polarisables depuis leur suspension colloïdale. Afin de permettre une production à échelle industrielle, l’injection de charges est assurée par la technique de « microcontact printing électrique » permettant la réalisation d’un grand nombre de motifs chargés en parallèle, grâce à un timbre microstructuré et conducteur. Des études portant sur la fabrication de ces timbres et sur l’injection parallèle de charges par leur intermédiaire ont permis de fiabiliser le procédé en termes de répétabilité et d’homogénéité d’injection. Des assemblages denses et multicouches de nanocristaux ont été réalisés grâce à la mise en place d’une stratégie d’assemblage visant à favoriser et maximiser les forces diélectrophorétiques. La photoluminescence émise par ces assemblées de nanocristaux est ainsi suffisante pour être observée à l’œil ou par la caméra d’un smartphone lors d’une excitation de faible puissance à 450 nm. Un protocole de transfert des marqueurs depuis leur substrat de fabrication vers un substrat de destination a été développé permettant ensuite de valider une intégration non-destructive au sein de documents officiels. / This work is part of a transfer to industry of a tagging technology based on photoluminescent nanoparticles, developed within the Nanotech team of the LPCNO and intended for the field of anti-counterfeiting. This work was focused on the realization of micrometric tags made of assemblies of CdSe/CdS nanocrystals exhibiting an emission of photoluminescence in the visible range with a high and stable quantum yield. These nanocrystals are selectively deposited on surfaces by nanoxerography: this technique involves injecting electrostatic charges into an electret material to form micrometric patterns which then serve as electrostatic traps to assemble, on the surface of the electret, charged and/or polarizable nano-objects from their colloidal suspension. In order to scale-up the tag production on an industrial level, the charge injection step is ensured by the “electrical microcontact printing” technique, allowing to charge a large number of patterns in parallel, thanks to a microstructured and conductive patch. Studies on the manufacture of these stamps, and the injection of charges through them, have led to make the process more reliable in terms of repeatability and homogeneity of injection of charges. Dense and multilayer nanocrystal assemblies have been realized through the implementation of an assembly strategy aimed at promoting and maximizing the dielectrophoretic forces. The photoluminescence emitted by these assemblies of nanocrystals is thereby sufficient to be observed by the eye or the camera of a smartphone for a low-power optical excitation at 450 nm. A transfer protocol of the photoluminescent tags from their manufacturing substrate to a destination substrate has been developed which then allowed the validation of a non-destructive integration within official documents.

We study the optical properties of InGaN/GaN multiple quantum wells grown on silicon (111) substrate with different buffer layers. Because of the lattice mismatch and mismatch in thermal expansion coefficient, there exists stresses in the nitride sample grown on silicon substrates, which influence the growth properties and optical properties. A set of buffer layers was proposed in order to reduce the stress in our samples. The influence on optical properties is investigated in our work. In Raman spectra, we observed the characteristic phonon mode of GaN. According to the variation of E2 mode, the stress can be estimated. From our results, growing buffer layers can effectively reduce the stress in the sample. From temperature dependent and power dependent photoluminescence¡]PL) measurement, we found that appropriate buffer layers bring about less stress and better efficiency of luminescence. There are absorption of GaN and some vibrational behaviors in PLE spectra. According to the stokes shift calculated from temperature dependence PL and PLE spectra, we infer that the mechanism of recombination is not only carrier localization. The recombination is involved with the interaction of carriers and longitudinal optical phonons, and the stokes shift is independence on temperature.

Les excitons semiconducteurs sont des quasi-particules bosoniques composées d’un électron et d’un trou appariés par attraction coulombienne. Ils peuvent subir une condensation de Bose-Einstein dont l’originalité réside dans le fait que les excitons participant au condensat se distribuent de façon cohérente entre quatre états de « spin » : les deux états de plus basse énergie qui sont « noirs » puisqu’ils ne sont pas couplés à la lumière, et les deux états « brillants », à plus haute énergie, permettant de voir les signatures quantiques via une émission cohérente de photons. La condensation des excitons doit donc conduire à une occupation macroscopique des états noirs quand la température est inférieure à 1 K, et a été expérimentalement démontrée en 2015 dans la thèse de M. Beian. Cette thèse montre, cette fois-ci, la participation des excitons brillants à la condensation de Bose-Einstein. En étudiant un gaz bi-dimensionnel d’excitons confinés dans un piège électrostatique, nous montrons, dans le régime dilué, qu’émerge un ordre à longue portée d’origine quantique, avec un accroissement de la cohérence temporelle de la photoluminescence émise par les excitons brillants, en dessous d’une température critique commune d’environ 1 K. La présence de vortex quantiques, signalés par des défauts de densité et par l’apparition de singularités de phase dans les figures d’interférences spatiales, apporte la preuve que 85% des excitons participent à la formation d’un superfluide à quatre composantes, avec une population macroscopique d’excitons noirs couplée de façon cohérente à une fraction d’excitons brillants condensés. / Semiconductor excitons are bosonic quasi-particles compound of an electron and a hole bound by Coulomb attraction. They can undergo Bose-Einstein condensation in a very original fashion: excitons are distributed among four "spin" states. The lowest energy states are "dark" because optically inactive while at a higher energy, two "bright" states are coupled to the photon field. Below sub-kelvin temperatures, condensation of excitons leads to a macroscopic population of the dark states, as demonstrated in M. Beian's thesis in 2015. This dark condensate is coherently coupled with a small fraction of bright excitons whose their weak photoluminescence emitted allows to probe signatures for quantum coherence. In this thesis, we show the contribution of bright excitons to the Bose-Einstein condensation. We study a 2D dilute gas of excitons confined in a electrostatic trap where we reveal, below a critical temperature of about 1 K, a quantum long-range order with an increased temporal coherence of the photoluminescence emitted by bright excitons. The appearance of quantised vortices, signalled by density defects and phase singularities in spatial interferences patterns, gives us the demonstration that 85% of the trapped excitons participate in the formation of a four-component superfluid where a macroscopic population of dark excitons is coherently coupled with a fraction of condensed bright excitons.

Dans ce travail, nous avons appliqué des techniques de photoluminescence en régime stationnaire (PL) et photoluminescence en régime modulé (MPL) à l'étude d'hétérojonctions formées entre du silicium cristallin (c-Si) et du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). Plus précisément, nous avons comparé des échantillons constitués de dépôts de (n)a-Si:H, (i)a-Si:H, (n)a-Si:H/(i)a-Si:H, et (p)a-Si:H/(i)a-Si:H sur des wafers de (n) c-Si de haute qualité électronique. Les mesures en fonction de la température montrent que la durée de vie des porteurs en excès diminue lorsque la température diminue, ce qui peut être qualitativement reproduit par la simulation dans un mécanisme de recombinaison de type Shokley-Read-Hall (SRH) en tenant compte du niveau d’énergie du dopant (phosphore) dans le substrat et de niveaux peu profonds électroniquement actifs à l'interface.Nous avons également étudié des échantillons dopés par implantation d'ions puis passivés par AlOx, a-Si:H et SiC. Des signatures de dislocations sont révélées à basse température par des pics supplémentaires de PL.Nous avons également comparé les résultats de cartographies de PL et de durée de vie obtenues par l'analyse de l'amplitude de MPL, et par l'analyse de son déphasage. Il est constaté que les propriétés optiques des échantillons ont un grand impact sur la cartographie PL, ce qui pourrait conduire à une conclusion erronée sur leur homogénéité. En revanche, les cartographies de durée de vie sont moins sujettes à des variations de paramètres optiques et au bruit provenant du processus de mesure, phénomènes qui ne sont pas intrinsèques à l'échantillon étudié.La nature différentielle de la mesure MPL est étudiée. Nous démontrons la notion de durée de vie à l'état stationnaire et de durée de vie différentielle. Nous analysons différents types de recombinaisons avec la durée de vie MPL et avons mis en œuvre des simulations des hétérojonctions a-Si:H/c-Si. Nous constatons que dans le domaine d'excitation intéressant pour le photovoltaïque, la durée de vie différentielle est souvent inférieure à la durée de vie à l'état stationnaire. Nous faisons aussi des comparaisons entre les durées de vie obtenues par mesures dites QSSPC et MPL et montrons qu'elles sont en fait égales.La combinaison des techniques de PL et de MPL nous a permis d'étudier le coefficient de recombinaison radiative en fonction de la température. Les résultats publiés jusqu'ici dans la littérature couvrent la plage de température de 300 K à 90 K. Dans cette plage, nos résultats sont en très bon accord avec ces résultats publiés précédemment. Mais, grâce à notre système de mesure et à la combinaison PL/MPL, nous avons obtenu des valeurs de ce coefficient jusqu’à 20 K et nous avons pu proposer une fonction polynômiale du cinquième degré qui permet de bien reproduire les variations en fonction de la température sur toute la plage de 20 K à 300 K.Dans une dernière partie de la thèse, les propriétés de transport de porteurs et l'effet de couplages sont étudiés dans des empilements de quantum dots. Nous avons examiné les quantum dots de InAs qui croissent de manière ordonnée en formant des chaînes à partir d'une couche tampon en InGaAs (couche dite de "cross hatch pattern"). Nous avons caractérisé par PL des monocouches ainsi que des multicouches empilées de chaînes de quantum dots. L'effet de couplage entre dots dans le plan est observé sur des échantillons de monocouches, et nous remarquons une inhibition du couplage vertical entre couches qui est expliqué par l'effet du champ de déformation de la couche de cross hatch pattern. / Silicon solar cells remain the driving technology and dominate the photovoltaics market. Hydrogenated amorphous silicon/crystalline silicon (a-Si:H/c-Si) heterojunction cells achieve the best efficiency in silicon cells to date (25.6%). A great part of this achievement is assigned to the improvement of the passivation of the emitter/absorber interface. In that regard, luminescence techniques whether Photoluminescence (PL) or Modulated photoluminescence (MPL), are particularly appropriate to investigate surface defects and effective carrier lifetime.In this work, we developed a PL/MPL setup coupled to a helium cooled cryostat to the study of a-Si:H/c-Si heterojunctions. Considering the modulated nature of the MPL, we introduced the concept of steady state lifetime and differential lifetime. Through simulations, we analyzed different types of recombination mechanisms and found that the differential lifetime is lower than the steady state lifetime. We also benchmarked the lifetime determined by photoconductance decay measurements and the MPL lifetime and demonstrated that they are actually equal.We have analyzed various samples of a-Si:H/c-Si heterojunctions from multiple sources, particularly within the framework of the European project HERCULES (High Efficiency Rear Contact solar cells and Ultra powerful moduLES). The samples are composed of various doping and passivation layers such as AlOx, a-Si:H and a-SiC:H fabricated on high quality (n)c-Si wafers. The temperature dependent measurements show that the excess carrier lifetime decreases when temperature decreases, which is explained by the Shockley-Read-Hall recombination model at the heterojunction interface. The combination of PL and MPL measurements have enabled us to determine the radiative recombination coefficient in crystal silicon as a function of temperature. Our measurements have extended the original data to 20 K. We propose a fifth order polynomial of the radiative recombination coefficient as a function of temperature in the range of 20 to 300 K and it agrees very well to others’ work.We also investigated the possibility to extend the system to carry out PL and MPL mapping in order to extract the cell homogeneity and the lifetime distribution across the sample. We found that the optical property of sample has a significant impact on the PL mapping and could lead to incorrect conclusion with respect to the homogeneity. However the lifetime mapping from MPL produces imaging that is less prone to variation of optical properties.At last, we utilized the temperature dependent micro PL to investigate the coupling of InAs quantum dot chains (QDC) stacks grown on InGaAs cross hatch patterns separated with a 10 nm GaAs layer. The PL spectra are dominated by the top-most stack, indicating that the QDC layers are nominally uncoupled. However, under the high excitation power densities achievable with the micro PL system, when the high-energy peaks of the top stack are saturated, low-energy PL peaks from the bottom stacks emerge as a result of the carrier transfer across the GaAs spacers. These unique PL signatures contrast with the state-filling effects in conventional, coupled QD stacks and serve as a means to quickly assess the presence of electronic coupling in stacks of dissimilar-sized nanostructures.

Photoluminescence (PL) is an optical emission induced by photon absorption in a material where electrons are excited from the ground state to excited states, then relax to the lowest excited states and recombine radiatively. The PL emission provides vital information on bandgap energy, material purity and crystal quality. In this project, a PL characterization system, also capable of electroluminescence (EL) measurements, was designed and assem- bled to measure optoelectronic device structures with the capabilities of recording PL or EL spectra as well as micrometer-resolved PL or EL maps on device structures or active components. In order to realize the system with the above functions, an optical setup and a monochro- mator were used to achieve micrometer-range resolution and reasonable signal-to-noise ra- tio. A hardware control platform needed to be designed and assembled to control the precise movement of the sample stage and monochromator as well as for acquiring the signal. A PC-based control software were developed for fully automatic measurements . Furthermore, adequate alignment and calibration methods had to be developed to tune the optical path, monochromator and control program. The setup employs the basic ideas of confocal microscopy, with the parallel laser input focused on the sample surface with a spot diameter of 0.78 μm. A Czerny Turner diffraction grating based monochromator is used to measure PL emissions. A 532 nm laser diode and an InGaAs or Si detector are applied in the system for spectral range of detection of at least 850- 1600 nm, i.e. covering the important data and tele communication bands. The project builds on a platform containing EasyDrivers, an Anduino Uno micro-controller and a Labview based operation software, together working with an amplifier circuit for stepper motors actuation and signal acquisition. Finally, different quantum well samples were measured, showing that the wavelength accuracy and resolution as well as the program flexibility meet the specifications of the setup.

La modification des propriétés du graphène, notamment l’ouverture d’une bande interdite par la nanostructuration, est un véritable enjeu pour la physique et pour les applications du graphène. La nanostructuration peut se faire suivant l’approche « top-down » ou « bottom-up ». Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressés à la seconde approche. L’approche « bottom-up » permet de contrôler à l’atome près la structure des matériaux. L’objectif de cette thèse est de fabriquer par synthèse chimique des boites quantiques de graphène et des motifs graphéniques contenant un réseau périodique de trous (nanomesh) et d’en étudier les propriétés physiques. Dans une première partie, une « famille » de nanoparticules de graphène a été préparée par synthèse organique via des réactions de Diels-Alder et de Scholl et les propriétés optiques ont été étudiées sur des solutions et à l’échelle de la molécule unique. Dans une deuxième partie, un nouveau type de structures graphéniques intermédiaires entre les boites quantiques et les nanorubans, des nano-bâtonnets de graphène (nanorods) ont été synthétisés. Enfin, plusieurs précurseurs ont été synthétisés pour la réalisation de nanomeshs de graphène. Ces précurseurs permettront d’obtenir, en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur dans la chambre d’un microscope à effet tunnel, des nanomesh de graphène présentant des structures différentes. / The manipulation of the electronic properties of graphene, and in particular the bandgap opening by nano-patterning, is a crucial issue for both physics and applications. The nanostructuration can be done either through the top-down approach or the bottom-up approach. This bottom-up approach allows controlling at the atomic level the structure of the materials. The aim of this thesis is to prepare graphene quantum dots and graphene nanomeshes (regular arrays of holes in a graphene sheet) by chemical synthesis, and to study their physical properties. In the first part, a “family” of graphene quantum dots was prepared with organic chemistry via Diels-Alder and Scholl reactions and the optical properties were studied both in solution and at the single molecule scale. In the second part, a new type of graphenic structures intermediate between quantum dots and nanoribbons were synthesized and we named them “graphene nanorods”. These objects are one dimensional but have a controlled length compared to nanoribbons prepared via polymerization. Finally, various precursors were synthesized to create graphene nanomeshes. These precursors will allow the formation, using chemical vapor deposition in a scanning tunneling microscope chamber, of nanomeshes exhibiting different structures and morphology.

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The optical properties of Mg-doped InN thin films grown on YSZ substrates have been investigated by photoluminescence (PL). A series of InN:Mg samples with various Mg cell temperatures (TMg) were produced by molecular beam epitaxy. The effect of Mg concentration on PL emission properties have been explored by various excitation power and temperature dependent measurements. The PL spectra as a function of excitation power exhibited a pronounce blueshift, indicating prominent band filling caused by the Burstein-Moss effect. Meanwhile, a typical redshift was observed as temperature increased due to bandgap shrinkage. The samples with TMg below 210 ˚C have a dominant peak at energy of 0.68 eV. In contrast, the PL peak emissions for films with a high TMg between 210~230 ˚C were centred near 0.6 eV. No PL emission was observed from the films with TMg above 230 ˚C. By fitting with an empirical Arrhenius equation, the activation energies yield approximately 20 meV and 15 meV for the lower and higher energy transitions, respectively. The fundamental optical properties of Zn doped InN were also examined. InN:Zn films were grown under In-rich conditions. The samples showed well defined PL emission spectra implying that the quality of the film has been improved over the Mg-doped series. The PL spectra of InN:Zn exhibited prominent features containing various emission peaks. The combination of excitation power and temperature dependent measurements supports a precise determination for the origins of the observed transitions. The comparison between the optical properties of Mg and Zn doped InN provide the motivation for more precise quantitative interpretation of p-type InN.

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