Les matériaux mésoporeux sont devenus des nanomatériaux d’une grande importance, et le contrôle des structures des matériaux mésoporeux est essentiel pour une variété d'applications pratiques. Les matériaux «cœur/coquille» structurés sont un type de matériaux hybrides qui non seulement possèdent les propriétés des composants individuels, mais présentent également de effets synergiques entre le «cœur» et la «coquille». La conception de matériaux mésoporeux et «cœur/coquille» structurés pour les appliquer avec succès dans la pratique devrait être une force de progrès importante pour le développement continu. Cette thèse se concentre principalement sur deux aspects: (1) une conception de matériaux mésoporeux «cœur/coquille» structurés en vue de résoudre les problèmes de synthèse, qui entravent leurs nouvelles applications et (2) l'application de matériaux mésoporeux dans la capture du CO2 cyclique pour améliorer la durabilité des sorbants de CO2 en prenant avantage du concept de «cœur/coquille». Visant le cyclage de l’hydroxyde de calcium, une technologie attrayante pour la capture du CO2 à grande échelle, nous avons établi un nouveau mésoporeux «cœur/coquille» structuré à base de CaO qui présentait une grande stabilité et d'excellentes performances de résistance à l’attrition, attribuées aux avantages des matériaux mésoporeux et à la configuration de «cœur/coquille». Notre procédé de fabrication peut être facilement réalisé à grande échelle et répond aux exigences de la circulation entre des réacteurs en lit fluidisé. Les nanoparticules métalliques ont normalement tendance à se coaguler ensemble dans des réactions catalytiques, et sont difficiles à séparer. Par conséquent, nous avons démontré une synthèse de microsphères Fe3O4@C-Pd@mSiO2 à composants multiples et polyvalentes avec une structure «cœur/coquille» bien définie et des nanoparticules catalytiques de Pd confinées, et ayant des canaux mésoporeux ordonnés et facilement accessibles. Récemment, des méthodes diverses ont été proposées pour fabriquer un revêtement de matériaux mésoporeux sur un cœur par un processus de «soft-templating». Cependant, les diamètres des mésopores générés sont généralement très faibles (< 3 nm), ce qui peut limiter leurs nouvelles applications. Ici, nous avons réalisé la synthèse de microsphères «cœur/coquille» structurées superparamagnétiques possédant une coquille externe de silice mésoporeuse ordonnée à larges pores (4,5 nm), en adoptant un copolymère tribloc comme agent tensioactif directeur de structure. / Mesoporous materials, especially ordered ones have become ones of great importance nanomaterials, which possess regular, uniform and interpenetrating mesopores in nanoscale. Morphology and texture controls towards mesoporous materials are critical for a variety of practical applications, the ultimate goal of which are the realization of their functional design. Core/shell composite materials are a type of functional hybrid materials which not only possess the properties of the individual components, but also exhibit some new or synergistic effects between the core and the shell. The design of mesoporous materials with unique core/shell configuration and multifunctions to make them successfully applied in practice, should be an important driving force for the continuous development of current material science. This thesis mainly focuses on two aspects: (1) careful design of core/shell structured mesoporous materials in order to solve the problem and difficulty in synthesis, which hinders their further applications and (2) application of mesoporous materials in cyclic CO2 capture to enhance the durability of CO2 sorbents by taking advantage of the core/shell concept. Aiming at the calcium looping cycle, an attractive technology for large-scale CO2 capture, we have prepared novel mesoporous core/shell structured CaO-based sorbents which exhibit highly stable cyclability and excellent attrition-resistance performances, attributed to advantages of both mesoporous materials and unique core/shell configuration. Our fabrication method could easily be realized in large-scale and meet the requirements of circulating fluidized bed reactors. Owing to their high surface energies, metallic nanoparticles normally tend to aggregate together during catalytic reactions, and their separation from a complex heterogeneous system is another obstacle. In this regards, we have demonstrated a facile and versatile synthesis of multicomponent and multifunctional microspheres Fe3O4@C-Pd@mSiO2 with well-defined core/shell structures, confined catalytic Pd nanoparticles and accessible ordered mesopore channels. Recently, various methods have been proposed for coating mesoporous shells on cores by soft-templating process. However, the generated mesopores are usually very small (< 3 nm), which may limit their further applications. In this work, we have accomplished the synthesis of superparamagnetic core/shell structured microspheres possessing an outer shell of ordered mesoporous silica with large pores (4.5 nm) by adopting triblock-copolymer Pluronic P123 as soft-template.

Les activités anthropiques ont considérablement augmenté la quantité de gaz à effet de serre (GES) dans l'atmosphère et sont un contributeur majeur au réchauffement climatique. Le dioxyde de carbone (CO₂) est considéré le principal gaz à effet de serre qui contribue largement aux changements climatiques. Diverses technologies sont explorées à travers le monde pour la capture et la séquestration du CO₂. Les solutions à base d'amines sont considérées des solvants efficaces, mais ils sont énergivores et ont des impacts négatifs sur l'environnement. L'absorption du CO₂ à l'aide de l'enzyme anhydrase carbonique (AC) comme catalyseur (libre en solution ou immobilisé) est une technologie prometteuse qui offre une sélectivité et une efficacité élevées pour la capture du CO₂, tout en utilisant des solvants non toxiques et moins énergivores. L'AC est un biocatalyseur bien connu, doté d'une aptitude extraordinaire à absorber les molécules de CO₂ (grâce à son énorme constante catalytique (turnover number, TON)), ce qui lui confère une très grande capacité à stimuler l'hydratation du CO₂. L'immobilisation de l'AC sur des surfaces solides améliore la stabilité et la réutilisation de l'enzyme, en permettant une séparation facile des produits de la réaction sans la contamination du biocatalyseur. Dans ce contexte, cette thèse se concentre sur l'étude de l'absorption du CO₂ en utilisant l'AC immobilisée dans différents bioréacteurs. Plus précisément, les principaux objectifs sont: i) de développer un processus enzymatique amélioré en utilisant l'AC immobilisée dans une colonne à garnissage, ii) d'étudier l'absorption du CO₂ dans un contacteur à membrane avec l'enzyme immobilisée sur la surface de la membrane, et iii) de proposer un nouveau procédé enzymatique hybride dans un contacteur à membrane plane en intensifiant l'absorption du CO₂ par l'enzyme immobilisée autant sur la membrane que sur la surface de nanoparticules magnétiques (MNPs). Une nouvelle technique d'immobilisation de l'AC a été développée en combinant (i) la codéposition de Polydopamine (PDA)/Polyethyleneimine (PEI) contenant des groupes fonctionnels aminés pour fonctionnaliser les surfaces et (ii) l'immobilisation covalente de l'enzyme sur les surfaces aminées en utilisant du glutaraldéhyde. L'approche proposée est intéressante en raison de sa simplicité, de l'abondance des fonctionnalités (amine) du PEI, et de la grande capacité d'adhésion du PDA pendant le processus de fonctionnalisation de la surface, ainsi que de la stabilité et de la réutilisation de l'enzyme immobilisée par liaison covalente. Un procédé enzymatique hybride avec l'enzyme AC immobilisée sur la surface du garnissage et des MNPs dispersées dans l'absorbant liquide (eau) a été développé dans un bioréacteur constitué par une colonne gaz-liquide. L'enzyme a été immobilisée sur la surface fonctionnalisée des MNPs et du garnissage par liaisons covalentes. Même après 40 jours, l'enzyme immobilisée sur le garnissage et les MNPs a montré une remarquable stabilité, conservant, respectivement, 80 % et 84,7 % de son activité initiale. Étant donné que l'enzyme immobilisée sur les MNPs fonctionne comme une enzyme libre en solution, le processus d'hydratation du CO₂ s'est amélioré de manière significative, en particulier lorsqu'il y a une plus importante limitation de la diffusion lors du processus enzymatique avec l'enzyme immobilisée sur la surface du garnissage. L'AC immobilisée sur la surface d'une membrane plane en polypropylène (PP) par codéposition de PDA/ PEI par liaison covalente a montré la plus grande activité et a conservé la plupart de son activité initiale après 40 jours (82.3%). Un flux d'absorption de CO₂ de 0,29x10⁻³ mol/m²s a été atteint en intégrant la membrane biocatalytique dans un contacteur à membrane plane (FSMC), en utilisant l'eau comme absorbant. Un taux stable d'absorption a été obtenu pendant l'opération à plus long terme (6 heures), illustrant le potentiel de cette technologie dans des applications industrielles. La résistance au transfert de masse dans les pores de la membrane partiellement remplis de liquide a été réduite par l'hydratation catalysée du CO₂ dans ces pores en présence de l'AC immobilisée. L'absorption de CO₂ dans un contacteur à membrane plane avec de l'AC immobilisée sur la surface de la membrane a été intensifiée en incorporant également l'enzyme immobilisé sur la surface des MNPs dispersés dans la phase liquide. Le processus d'absorption du CO₂ a été amélioré grâce à la présence de MNPs biocatalytiques qui agissent comme une enzyme libre en phase liquide. L'AC a été immobilisée de manière covalente sur la surface des MNPs fonctionnalisées. L'absorption du CO₂ a été améliorée dans ce système hybride innovant de contacteur à membrane intensifié en maximisant l'utilisation du TON de cette enzyme, en particulier à des concentrations plus faibles d'enzyme sur la membrane biocatalytique. Autant la membrane que les MNPs avec l'AC immobilisée ont démontré leur réutilisabilité, en conservant leurs activités initiales même après 10 cycles d'absorption. Le contacteur à membrane intensifié a également montré un fonctionnement stable pendant plusieurs heures. En conclusion, les résultats obtenus dans cette thèse illustrent le fait que la capture du CO₂ utilisant de l'anhydrase carbonique immobilisée peut offrir une stratégie rentable, verte et respectueuse de l'environnement, représentant une alternative attrayante aux technologies traditionnelles qui utilisent des absorbants à base d'amines. Avec la crise environnementale croissante, les technologies enzymatiques prennent de l'importance, ce qui suscite de plus en plus de tentatives pour les mettre en œuvre à l'échelle industrielle. / Anthropogenic activities have significantly enhanced the amount of greenhouse gases (GHGs) in the atmosphere and are a major contributor to global warming. Carbon dioxide (CO₂) is a primary greenhouse gas that contributes to climate change. Various technologies are being explored across the world to tackle CO₂ capture and sequestration. Despite their efficiency, amine-based solutions have negative environmental impact and the process is energy intensive. CO₂ absorption using carbonic anhydrase (CA) enzyme as catalyst (free in solution or immobilized) is a promising technology which offers high selectivity and efficiency in CO₂ capture processes by using nontoxic and more energy efficient solvents. CA is a well-known biocatalyst endowed with an extraordinary turnover number (TON), which offers to it a very high capacity to boost CO₂ hydration. CA immobilization on solid surfaces enhances the enzyme stability, and reusability and provides the ability for easy separation of the reaction products without biocatalyst contamination. In this context, the present thesis focuses on the investigation of CO₂ absorption process using immobilized CA in different bioreactors. More specifically, the main objectives are: i) developing an enhanced enzymatic process with immobilized CA enzyme in a packed-bed column bioreactor, ii) studying the CO₂ absorption in membrane contactor with immobilized CA enzyme on membrane surface, and iii) proposing a novel hybrid enzymatic process in an intensified flat sheet membrane contactor for improving CO₂ absorption via immobilized CA enzyme on both membrane and magnetic nanoparticles (MNPs). An improved CA immobilization technique was developed in this work using two steps: (i) co-deposition of Polydopamine (PDA)/Polyethyleneimine (PEI) with amino functional groups for amine-functionalization of surfaces and (ii) covalent enzyme immobilization on the aminated surfaces using glutaraldehyde. The proposed approach is appealing because of its simplicity, abundant amine functionalities of PEI, and great adhesion capacity of PDA during surface functionalization process, as well as the stability and reusability of immobilized enzyme via covalent bonding. A hybrid enzymatic process with CA enzyme immobilized on packing surface and MNPs dispersed in the liquid absorbent (water) was developed in a gas-liquid packed-bed column bioreactor. CA was immobilized on amine functionalized surface of MNPs and packings via covalent attachments. Even after 40 days of storage in buffer solution, the immobilized CA on packing and MNPs showed remarkable stability, retaining 80% and 84.7% of its original activity, respectively. Since the enzyme immobilized on MNPs operates as a free solution-phase enzyme, the CO₂ hydration process improved significantly, specially when the diffusion limitation in the enzymatic process with immobilized CA enzyme on the packing surface was significant. CA enzyme immobilized on polypropylene (PP) flat sheet membrane surface via co-deposition of PDA/PEI through covalent bonding method showed the highest activity and preserved most of its initial activity after 40 days (82.3%). A CO₂ absorption flux of 0.29x10⁻³ mol/m²s was attained by integrating the biocatalytic membrane into a flat sheet membrane contactor (FSMC) using water as absorbent. Stable CO₂ absorption rate was obtained during a longer time operation (6 hours), illustrating its potential for industrial applications. Mass transfer resistance in partially liquid-filled membrane pores was shown to be reduced by the catalyzed CO₂ hydration in these pores in the presence of immobilized CA. CO₂ absorption in flat sheet membrane contactor with immobilized CA on membrane surface was intensified by the incorporation of immobilized CA on the surface of MNPs dispersed in the liquid phase. CO₂ absorption process was improved due to the presence of biocatalytic MNPs, which act as a free solution-phase enzyme. CA was covalently immobilized on amine-functionalized MNPs surface. The proposed innovative hybrid enzymatic process in the intensified membrane contactor improved the CO₂ absorption by maximizing the utilization of CA's large TON, specially at lower CA loadings on the biocatalytic membrane. Immobilized membrane and MNPs demonstrated their reusability and retained their initial activities even after 10 absorption cycles. The intensified membrane contactor also displayed a stable operation for several hours. In conclusion, the results achieved in our work illustrate that CO₂ capture using immobilized CA can offer a cost-effective, green, and environmentally friendly strategy, representing an attracting alternative to customary technologies using amine-based absorbents. With the growing environmental crisis, enzymatic CO₂ capture technologies are becoming more important, prompting more attempts to implement them on industrial scales.

Les composants de puissance à base de GaN sont connus par l’instabilité de leurs caractéristiques électriques, en particulier la tension de seuil et la résistance à l'état passant. Cela est dû aux effets des mécanismes de piégeage/de-piégeage des charges dans la structure. Le travail présenté dans ce mémoire se compose de deux grandes parties. Dans un premier temps, nous mettons en évidence l’effet d’un certain nombre de paramètres de commutation sur l'évolution de la résistance dynamique avec des cycles de commutation successifs. Nous analysons, en particulier, l’effet de la tension au blocage, la fréquence de commutation et la température sur l'évolution de la résistance dynamique. Dans un deuxième temps, nous présentons les résultats des essais de cyclage de puissance effectués en utilisant 80K de variation de température de jonction sur des puces de puissance MOS-HEMT Al2O3/AlGaN/GaN Normally-On. Ensuite, nous réalisons des caractérisations de pièges, basées sur des analyses de mesures de courants transitoires pendant le processus de vieillissement. Les résultats montrent qu’une dégradation irréversible affecte la tension de seuil avec une dérive vers des valeurs négatives. Ces dérives sont principalement attribuables au piégeage cumulatif avec des cycles de puissance, probablement induits par des électrons chauds, d’une manière progressive et non récupérable. / Power components based on GaN are known by the instability of their electrical characteristics, in particular the threshold voltage and the on-state resistance. This is due to the effects of trapping/de-trapping mechanisms in the structure. The work presented in this memoir consists of two main parts. At the first step, we highlight the effect of a number of switching parameters on the evolution of the dynamic resistance with successive switching cycles. In particular, we analyze the effect of blocking voltage, switching frequency and temperature on the evolution of dynamic resistance. In a second step, we present the results of power cycling tests performed using 80K of junction temperature swing on Normally-ON Al2O3/AlGaN/GaN MOS-HEMTs. Then, we perform trap characterizations, based on the analyses of transient current measurements, during the aging process. The results show that irreversible degradation affects threshold voltage with drift to negative values. These drifts were mainly attributed to cumulative trapping with power cycles, probably induced by hot electrons, in a progressive and non-recoverable way.

Les mémoires non-volatiles Flash sont aujourd'hui un élément clé du développement de l'électronique portable demandant de plus en plus de capacité de stockage à bas coût (netbook, téléphones mobiles, PDA, clé USB...). Afin d'assurer son maintien pour les années à venir, il est nécessaire de poursuivre l'amélioration de cette technologie. Ainsi, l'intégration de matériaux à forte permittivité électrique (appelés : High-k) et l'utilisation de mémoires à couche de piégeage discret sont de plus en plus envisagées. Le travail de cette thèse s'inscrit dans ce contexte. Il comprend tout d'abord une étude électrique (charge fixe, piégeage, courants de fuite...) de matériaux High-k (HfO2, HfAlO, Al2O3, HfSiON) en vue de leur intégration dans les mémoires non-volatiles. Les empilements les plus prometteurs ont ensuite été intégrés dans des mémoires à nanocristaux de silicium ou à couche de piégeage nitrure. Les performances électriques ont été reliées aux propriétés matériaux des couches utilisées. L'analyse des résultats électriques ainsi que la compréhension physique des mécanismes mis en jeux a été permise par une étude de modélisation. En particulier, un modèle complet de mémoire à couche de piégeage discret a été développé.

.

La Fragilisation par l’hydrogène (FPH) est un phénomène complexe de dégradation des matériaux métalliques dont les mécanismes sont dépendants de nombreux paramètres tels que la nature du matériau (composition chimique, traitement thermique), l’environnement ou l’état de contrainte. L’objectif de ce travail est d’apporter des éléments de compréhension sur les mécanismes de transport et de ségrégation de l’hydrogène dans les aciers martensitiques trempés et revenus à haute limite d’élasticité utilisés pour les applications « Oil and Gas ». Notons que cette étude se situe en amont de la problématique endommagement. Dans ce contexte, il s’agit d’identifier les sites de piégeage de l’hydrogène en regard de la métallurgie des matériaux. La mise au point d’un montage de perméation électrochimique et d’un protocole de dépouillement des résultats a permis une nouvelle approche critique dans l’exploitation des résultats issus des essais électrochimiques. De cette procédure, plusieurs aspects ont été considérés : les rôles de l’épaisseur de la membrane, de l’état de surface de la face de détection, de la microstructure et enfin, d’un état mécanique. La mise en relation de l’évolution de la microstructure avec les paramètres physiques associés aux phénomènes de diffusion et de piégeage de l’hydrogène permettront de conduire une première réflexion « vers l’endommagement ». / Hydrogen Embrittlement (HE) is a complex phenomen on responsible of metal degradation. It mainly depends on the material (chemical composition, heat treatment), the environment or the mechanical state. The main goal of this study is to give new elements to understand hydrogen diffusion and trapping mechanisms in High Strength Low Alloy martensitic steels used in the field of “Oil and Gas” applications. In this way, the purpose is to identify hydrogen trapping sites related to microstructural features as a basis for a better knowledge concerning HE. Thus, accurate electrochemical permeation set-up (with or without a mechanical state) were developed as well as a procedure to thoroughly analyze experimental data. An original approach on how to interpret electrochemical permeation results has been there fore performed. Afterward, the effect of different critical parameters has been assessedi.e. the membrane thickness, the surface state of the detection side as well as the microstructure and the mechanical state. The relationship between physical parameters associated to diffusion and trapping with the microstructure evolution will give rise to a first thought “toward the embrittlement”.

L’une des tendances naturelle des technologies photovoltaïque est la réduction systématique de l’épaisseur des cellules solaires, que cela soit pour des raisons de coûts, d’économie d’éléments rares ou toxiques ou encore pour limiter les recombinaisons. Jusqu’à présent, les technologies couche minces cristallines (GaAs) et poly-crystallines (CIGS) trouvent des optimum d’efficacité de conversion pour des épaisseurs aux alentours de 1 ou 2 microns. Typiquement, cette gamme d’épaisseur ne nécessite pas de nouvelles solutions de piégeages optiques comme cela est le cas pour la filière silicium amorphe. Cependant, si l’on veut réduire ces épaisseurs d’un facteur 10 voire même 100 afin de s’orienter vers les nouveaux concepts de collections et conversions (GaAs ou GaSb) ou encore de réduire l’utilisation d’indium (CIGS), de nouveaux besoin en matière d’absorption efficace de la lumière sont nécessaires pour ces technologies. Ce manuscrit de thèse se concentre sur la conception, la simulation et la réalisation de solutions nanophotoniques nouvelles pour de futures cellules solaires cristallines ultrafines.Dans un premier temps, nous nous sommes engagé dans une approche en rupture avec la conception habituelle des cellules solaires pour piéger la lumière dans une cellule ultrafine (≤100 nm de matériaux couche-mince (GaAs, GaSb et CIGS). Nous proposons un réseau métallique nanostructuré placé en face avant de la cellule reportée sur un miroir métallique afin d'obtenir une absorption très élevée et multi-résonante, indépendante de l’angle d’incidence et de la polarisation. Une analyse numérique approfondie des mécanismes résonants en jeu a été menée ainsi que la fabrication et la caractérisation optique de démonstrateurs. Les résultats de cette étude sont motivants pour des travaux futurs sur les dispositifs ultrafins, mettant en jeu de nouveaux concepts de collection (transport balistique) ou de conversion (cellules solaires à porteurs chauds).Dans un deuxième temps, nous avons étudié la possibilité d’intégrer à court terme un contact arrière nanostructuré en or à des cellules solaires fines (200-400 nm) en CIGS afin d’augmenter potentiellement le courant de court-circuit et la tension de circuit ouvert. Nous avons proposé un procédé innovant pour réaliser cette structure et ce piégeage optique, jusqu’à lors inédits pour les cellules en CIGS. Etude numérique, fabrications de démonstrateurs et premières caractérisations de cellules solaires ultrafines sont présentés. / One of the natural tendencies of photovoltaic technologies is the systematic reduction of the thickness of the solar cells in order to reduce the cost, to save rare or toxic elements or to limit recombination. So far, crystalline thin-film (GaAs) and poly-crystalline (CIGS) technology are reaching optimum conversion efficiency for thicknesses around 1 or 2 microns. Typically, this thickness range does not require new solutions of optical trappings as it is the case for amorphous silicon. However, if we want to reduce these thicknesses by a factor of 10 or even 100 to study new concepts of collections and conversions (GaAs or GaSb) or reduce the use of indium (CIGS), new needs for efficient light absorption are necessary for these technologies. This manuscript is focused on the design, simulation and realization of innovative nanophotonic solutions for future ultra-thin crystalline solar cells.As a first step, we were engaged in an approach at odds with the usual design of solar cells to trap light in a ultra-thin (≤100 nm) layer of material (GaAs, GaSb and CIGS). We propose an array of metal nanostructure placed in front of the cell, transferred on a metal mirror in order to obtain a high, multi-resonant absorption independent of the angle of incidence and polarization. Numerical analysis of the resonant mechanisms involved was conducted as well as the fabrication and optical characterization of demonstrators. The results of this study are motivating for future work on the ultra-thin devices, involving new concepts of collection (ballistic transport) or conversion (hot carrier solar cells).On the other hand, we studied the possibility of integrating a rear gold nanostructured back contact (200-400 nm) in thin CIGS solar cells to potentially increase the current of short circuit and open circuit voltage. We have proposed an innovative process to achieve this structure and the optical trapping for CIGS solar cells. Numerical study, manufacture of demonstrators and first measurements are presented.

Le Nitrure de Gallium est devenu un matériau incontournable pour le développement de dispositifs semi-conducteurs aux performances très supérieures aux composants silicium. L'immense potentiel du dispositif HEMT AlGaN / GaN provient du gaz d'électrons à haute densité et à forte mobilité formé au niveau de son hétéro-structure. Cependant, le fonctionnement sous champ électrique, température et conditions de stress élevés rend le dispositif vulnérable aux problèmes de fiabilité qui limitent son efficacité et sa durée de vie. Les pièges présents dans la structure, qui limitent la densité porteurs du canal et pénalisent la réponse du dispositif, constituent le facteur majeur déterminant plusieurs effets électriques parasites et la fiabilité du dispositif. L’industrie du GaN est confrontée à la nécessité de disposer de dispositifs de haute fiabilité si bien qu’il est nécessaire de faire des progrès dans l’analyse de l’impact des pièges pour en déduire des solutions technologiques permettant leur inhibition.La motivation de ce travail est d’identifier les signatures électriques associées à l’activité de différents pièges ainsi que leurs conséquences sur les performances et la fiabilité des HEMT GaN grâce à une étude dédiée des dispositifs de la technologie GH-25 conçue pour des applications RF de puissance fonctionnant jusqu’à 20 GHz. L’étude utilise des simulations physiques TCAD. Une analyse détaillée des effets indépendants et interdépendants est réalisée afin d'identifier l'impact relatif des pièges pour des études de cas où les caractéristiques électriques présentent des écarts importants par rapport à la réponse idéale du dispositif.La méthodologie utilisée pour développer un modèle TCAD représentatif et dérivé de la physique interne est décrite en accordant une attention particulière au courant de fuite de grille qui reflète l'influence de processus physiques fondamentaux ainsi que les effets parasites couramment rencontrés dans les dispositifs GaN. Les simulations ciblées établissent un lien entre l'observation d'un problème de fiabilité et son origine sous-jacente dans les phénomènes de piégeage.L’établissement d’associations entre la localisation spatiale des pièges et les dégradations qu’ils pourraient provoquer est un objectif important de cette thèse.Plusieurs stratégies de simulation sont présentées, permettant d’explorer le comportement des pièges en régime permanent et en régime transitoire et donnant une perception détaillée de la manière dont les paramètres des pièges affectent les caractéristiques opérationnelles. Des approches pour distinguer les interactions de pièges différents sont également décrites. L’étude centrale de cette thèse est un phénomène de courant de fuite parasite complexe, identifié dans le procédé GH 25comme conséquence du vieillissement accéléré. Connu sous le nom de «belly-shape», il représente un exemple intéressant de la façon dont les stratégies développées peuvent être appliquées pour discerner la causalité, l'impact et l'évolution des pièges responsables du phénomène. Afin d'approfondir l'analyse des modes de piégeage, nous avons procédé à des tests de vieillissement accéléré et des caractérisations électro-optiques afin de modifier la dynamique générale du mécanisme de piégeage et d'observer la modulation du mécanisme du piégeage sur la réponse du dispositif. / Gallium Nitride has emerged as a terrific contender to lead the future of the semiconductor industry beyond the performance limits of silicon.The immense potential of the AlGaN/GaN HEMT device is derived from the high density, high mobility electron gas formed at its hetero-structure. However, frequent subjection to high electric field, temperature and stress conditions makes the device vulnerable to reliability issues that restrict its efficiency and life time. A dominant contributor to several parasitic and reliability issues are traps present within the semiconductor structure which restrict the channel density and aggravate the device static and dynamic response. As the GaN industry addresses an increasing demand for superior devices, reliability analysis is of critical importance. There is a necessity to enable advancements in trap inhibition which would allow the realization of stronger, efficient devices.The motivation of this work is to recognize distinct ways in which various traps affect the performance and reliability metrics of GaN 0.25 µm HEMTs through a study of devices of the GH-25 process optimized for high power applications up to 20 GHz. The investigation employs physical TCAD simulations to provide insight and perspective to electrical and optical characterizations. Detailed analysis into independent and interrelated effects is performed to identify the relative impact of traps in circumstances presenting notable deviations from the ideal device response.The methodology to develop a representative TCAD model derived closely from internal physics is described with special focus on the sensitive gate leakage characteristic which reflects the influence of fundamental physical processes as well as parasitic effects commonly encountered in GaN HEMTs. Targeted simulations provide a pivotal link between the observation of a reliability issue and its underlying origin in trapping phenomena. Establishing associations between the spatial location of traps and the degradations they could trigger is an important objective of this thesis.Several simulation strategies that explore trapping behavior in various steady state and transient environments are discussed which allow detailed perception into the manner and extent to which trap attributes affect operational considerations. Approaches to distinguish disparate trap interactions are also described. The central case study in this thesis is an abstruse parasitic leakage phenomenon, identified in the GH 25 process as a consequence of aging stress. Referred to as the “belly shape”, it presents an interesting example of how the developed strategies can be applied to discern the causality, impact and evolution of the responsible traps. In order to take a deeper look into trapping modes, further aging and LASER characterizations are performed to alter the general occupational dynamics and observe the modulation of trap control over device response.

On constate une forte demande mondiale d' énergie propre et renouvelable en raison de la consommation rapide des combustibles fossiles non renouvelables et l'effet de serre qui en résulte. Une solution prometteuse pour produire une énergie propre et renouvelable est d'utiliser des cellules solaires pour convertir l' énergie solaire directement en électricité. Comparativement à leurs homologues inorganiques, les cellules solaires organiques (OSCs) sont maintenant intensivement étudiées en raison des avantages tels que le poids léger, la flexibilité, la compatibilité avec les procédés de fabrication à faibles coûts. Malgré ces avantages, l'efficacité de conversion (PCE) des OSCs doit encore être améliorée pour la commercialisation à grande échelle. Les cellules solaires organiques sont réalisées en pile de couches minces comprenant des électrodes, la couche de transport d' électrons, la couche de polymère actif et la couche de transport de trous. Dans cette étude, nous sommes concernés par la couche de PEDOT:PSS qui est couramment utilisée comme une couche tampon entre l'électrode anodique et la couche de polymère actif de cellules solaires organiques. Cette étude vise à intégrer différentes concentrations de nanoprismes (NPSMs) d'argent de taille sub-longueur d'onde dans du PEDOT: PSS afin de profiter de leurs propriétés optiques uniques nées de résonances de plasmons de surface localisées (LSPR) pour améliorer la collecte lumineuse et l'efficacité de génération de charge en optimisant l' absorption et la diffusion de la lumière. Nous avons constaté que les facteurs clés qui contrôlent les performances des cellules solaires plasmoniques comprennent non seulement les propriétés optiques, mais également les propriétés structurelles et électriques des couches hybrides de PEDOT:PSS comprenant des NPSMs d' Ag. D'une part, l'ajout de NPSMs d' Ag conduit ¨¤ (1) une augmentation de l'absorption optique; (2) de la diffusion de la lumière ¨¤ de grands angles ce qui pourrait conduire ¨¤ un meilleur piégeage de la lumière dans les OSCs. D'autre part, (1) la rugosité de surface est augment¨¦e en raison de la formation d'agglomérats de NPSMs d' Ag, ce qui conduit ¨¤ une meilleure efficacité de collecte de charge; (2) la résistance globale des films hybrides est également augment¨¦e en raison de l'excès de PSS introduit par les NPSMs d' Ag incomplètement purifiées, inférieur courant de court-circuit (Jsc) qui en résulte; (3) les Ag NPSMs et leurs agglomérats ¨¤ l'interface PEDOT:PSS/couche photo-active pourraient agir comme des centres de recombinaison, conduisant ¨¤ une réduction de la résistance de shunt, du Jsc et de la tension en circuit ouvert (Voc). Afin de résoudre partiellement l'inconvénient (2) et (3), en intégrant des NPSMs d¡¯Ag davantage purifiés et une petite quantité de glycérol dans le PEDOT:PSS, la résistance des couches hybrides de PEDOT:PSS-Ag-NPSMs peut ¨être réduite à une valeur comparable ou inférieure ¨¤ celles couches vierges. Les futurs progrès en chimie de surface colloïdale et l'optimisation sur le processus d'incorporation des nanoparticules seront nécessaires pour produire des cellules solaires organiques plasmoniques de meilleures performances. / Nowadays there has been a strong global demand for renewable and clean energy due to the rapid consumption of non-renewable fossil fuels and the resulting greenhouse effect. One promising solution to harvest clean and renewable energy is to utilize solar cells to convert the energy of sunlight directly into electricity. Compared to their inorganic counterparts, organic solar cells (OSCs) are now of intensive research interest due to advantages such as light weight, flexibility, the compatibility to low-cost manufacturing processes. Despite these advantages, the power conversion efficiency (PCE) of OSCs still has to be improved for large-scale commercialization. OSCs are made of thin film stacks comprising electrodes, electron transporting layer, active polymer layer and hole transporting layer. In this study, we are concerned with PEDOT:PSS layer which is commonly used as a buffer layer between the anodic electrode and the organic photoactive layer of the OSC thin film stack. We incorporated different concentrations of silver nanoprisms (NPSMs) of sub-wavelength dimension into PEDOT:PSS. The purpose is to take advantage of the unique optical properties of Ag MPSMs arisen from localized surface plasmon resonance (LSPR) to enhance the light harvest and the charge generation efficiency by optimizing absorption and scattering of light in OSCs. We found that the key factors controlling the device performance of plasmonic solar cells include not only the optical properties but also the structural and electrical properties of the resulting hybrid PEDOT:PSS-Ag-NPSM-films. On one hand, the addition of Ag NPSMs led to (1) an increased optical absorption; (2) light scattering at high angles which could possibly lead to more efficient light harvest in OSCs. On the other hand, the following results have been found in the hybrid films: (1) the surface roughness was found to be increased due to the formation of Ag agglomerates, leading to increased charge collection efficiency; (2) the global sheet resistance of the hybrid films also increases due to the excess poly(sodium styrenesulphonate) introduced by incompletely purified Ag NPSMs, resulting in lower short circuit current (Jsc); (3) the Ag nanoprisms and their agglomerates at the PEDOT:PSS/photoactive layer interface could act as recombination centers, leading to reductions in shunt resistance, Jsc and open circuit voltage (Voc). In order to partially counteract the disadvantage (2) and (3), by incorporating further purified Ag NPSMs and/or a small amount of glycerol into PEDOT:PSS, the sheet resistance of hybrid PEDOT:PSS-Ag-NPSM-films was reduced to a resistance value comparable to or lower than that of pristine film.

Dans cette thèse nous présentons différents motifs formés par auto-organisation de matériaux azopolymères soumis à un rayonnement lumineux. Nous avons montré que de nombreux réseaux de surface photoinduits, jusqu'à 10, peuvent êtreenregistrés sur la même zone d’un film azopolymère pourvu que la polarisation du faisceau d'écriture soit bien choisie. Cet effet a permis la création d'une grande variété de motifs complexes. Dans cette thèse, nous montrons de telles structures complexes formées à la surface de couches minces d'azopolymère via un ensemble de réseaux superposés (jusqu'à 16 sur la même zone). Nous créons ainsi des structures dites quasi-cristal à 2 dimensions. La surface d'azopolymère est alors utilisée comme un moule afin d'être répliquée avec un élastomère. La couche d’élastomère ainsi produite possède la même structure que le moule enazopolymère. Cette couche est flexible, transparente et étirable et nous l'avons utilisé pour le dépôt de nano-objets uniques. Les caractéristiques de deux surfaces photoinduites de deux azopolymères chiraux ont été comparées: une surface aléatoire de type gaussien et une surface avec des réseaux quasi-aléatoires. Ces motifs ont été obtenus avec une technique simple de type ‘bottom-up’ en éclairant la couche mince d'azopolymère avec un seul faisceau laser. La surface avec des réseaux quasi-aléatoires peut être utilisée pour le couplage de la lumière dans plusieurs directions dans un film ultra-mince. Ces deux surfaces ont été utilisées comme moule et répliquées sur un élastomère transparent. Elles montrent un très bon piégeage de la lumière. Plus précisément, le piégeage de la lumière est 20% meilleur avec les réseaux quasialéatoires qu'avec la surface aléatoire de type gaussien et il est de l'ordre de 40%. / In this thesis we present various patterns formed by self-organization of azopolymer materials subjected to light radiation. We have shown that many photoinduced surface gratings, up to 10, can be recorded on the same area of an azopolymer film, provided that the polarization of the writing beam is well chosen. This effect allowed the creation of a wide variety of complex patterns. In this thesis, we show such complexstructures formed on the surface of thin layers of azopolymer, via a set of superimposed networks (up to 16 on the same zone). We thus create so-called quasicrystal structures with 2 dimensions. The azopolymer surface is then used as a mold to be replicated with an elastomer. The elastomer layer produced has the same structure as the azopolymer mold. This layer is flexible, transparent and stretchable and we used it for the deposition of unique nano-objects. The characteristics of two photoinduced surfaces of two chiral azopolymers were compared: a Gaussian type random surface and a surface with quasi-random lattices. These patterns were obtained with a simple bottom-up technique, by illuminating the thin layer of azopolymer with a single laser beam. The surface with quasi-random lattices can be used for the coupling of light in several directions in an ultra-thin film. These two surfaces were used as molds and replicated on a transparent elastomer. They show a very good trapping of light. More precisely, the trapping of the light is 20% better with the quasi-random gratings than with the random surface of the Gaussian type and it is of the order of 40%.