Cette thèse rapporte l'étude des propriétés de films transparents conducteurs obtenus à partir de dispersions de nanotubes de carbone. La formulation des dispersions représente une étape clé dans le but d'obtenir des films homogènes avec de bonnes propriétés électro-optiques. Plus particulièrement, la création d'interactions attractives en solution entre les nanotubes de carbone permet d'une part de modifier le comportement rhéologique des dispersions et d'améliorer leur dépôt en couche mince par enduction. D'autre part, les travaux présentent une étude concernant l'influence des interactions sur la structuration du réseau de nanotube de carbone qui constitue les films. Ces changements de structuration sont notamment mis en parallèle avec les propriétés électriques des films selon leur épaisseur. L'utilisation de polymères semi-conducteurs a aussi fait l'objet de travaux expérimentaux pour améliorer la formation et les propriétés des films transparents conducteurs.

Ces travaux de doctorat concernent le développement de la tomographie électronique appliquée à la nano-caractérisation tridimensionnelle de dispositifs à semi-conducteurs et de matériaux pour la micro et la nanoélectronique. Les contributions les plus significatives de ces travaux sont (i) l'exploration et l'application de différents modes de contraste en microscopie électronique à transmission (TEM) pour des applications spécifiques liées au semi-conducteurs et (ii) l'investigation de nouvelles pistes pour améliorer encore la résolution spatiale, en particulier en adaptant les schémas d'acquisition en tomographie. Le TEM en balayage (STEM), basé sur des mesures annulaires aux forts angles et en champ sombre (HAADF) a été mis en œuvre pour observer des dopants dont le numéro atomique est typiquement largement supérieur à celui de la matrice (en silicium), et nous avons combiné le TEM résolu en énergie (EFTEM) dans un régime de faible perte d'énergie des électrons avec les techniques de tomographie afin de reconstruire les spectres de perte d'énergie locaux, en chaque voxel. La tomographie double-axe a été expérimentalement mise en œuvre pour améliorer la résolution spatiale, et le potentiel de la tomographie à axe multiple a été démontré, grâce aux simulations. Enfin, des algorithmes de reconstruction basés sur la minimisation de la variation totale ont été appliqués à la tomographie électronique. Les analyses effectuées comprennent les transistors triple-grille, les nanofils III-V, les capacités à base de nanofils de silicium et le silicium sur-dopé au sélénium, un matériau utilisé pour des applications optoélectroniques.

De nos jours, l'augmentation des performances et la réduction des dimensions des composants microélectroniques ou optiques constituant les systèmes électroniques ou optroniques nécessite des techniques de caractérisation non destructrices, capables de sonder des micro- et nanoobjets. C'est dans cette optique que s'inscrivent les techniques de spectroscopie Raman et photoluminescence, capables de caractériser localement les contraintes mécaniques, introduites dans les dispositifs à semi-conducteurs actuels afin d'accroître leurs performances. Ce travail de thèse aborde deux objectifs, l'élargissement des capacités du spectromètre Raman polarimétrique comprenant l'ajout d'un module de détection du signal de luminescence et l'application des techniques et méthodologies développées à la caractérisation des contraintes dans des structures semiconductrices à base de silicium, germanium et arséniure de gallium. Après une étude expérimentale des paramètres pertinents, la dépolarisation, le retard et le dichroïsme, nécessaire afin de combiner le spectromètre Raman " classique " et un polarimètre, nous avons montré que l'étalonnage d'un tel système dépend de la longueur d'onde de la source d'excitation, ainsi que de la nature de la diffusion considérée (Raman ou Rayleigh). Au titre des applications de la technique, nous avons mesuré des contraintes mécaniques dans des nanolignes de silicium (15 nm d'épaisseur) et des microlignes de germanium grâce à la méthodologie de mesure développée. Les résultats obtenus ont été également modélisés analytiquement afin de mettre en évidence la physique des phénomènes observés. Ainsi, nous avons montré qu'il est possible d'amplifier le signal Raman dans les nanolignes de silicium grâce à la gestion appropriée des polarisations des rayonnements incident et diffusé. La mise en place de la technique de photoluminescence avec le contrôle des états de polarisation, rajoutée à la spectroscopie Raman, nous a permis d'étendre le champ de mesure des contraintes mécaniques dans les structures semiconductrices. Actuellement, grâce à cette technique, nous sommes capables de mesurer des efforts résiduels de l'ordre de 20 MPa, ce qui est au-delà des capacités de la spectroscopie Raman " conventionnelle " essentiellement limitée par la résolution spectrale.

Les Diodes Electroluminescentes (DEL) à base de composés III-nitrures sont très efficaces pour les longueurs d’ondes correspondant à la couleur bleue. Ces DELs bleues sont très utilisées sur le marché car leur combinaison avec des phosphores produit une lumière blanche. Néanmoins, cette approche a plusieurs inconvénients tels que l’instabilité de la température de couleur ou les pertes liées à la conversion. Dans ce contexte la DEL blanche monolithique dont la lumière blanche est obtenue directement dans la zone active grâce à l’émission des puits quantiques à différentes longueurs d’ondes est envisagée.Pourtant, lorsque la longueur d’onde d’émission augmente, le rendement d’émission des puits quantiques InGaN/GaN diminue. Ceci est problématique pour l’application de la DEL blanche monolithique mais également pour l’application micro-display qui nécessite idéalement des DELs monochromatiques bleues, vertes et rouges fabriquées à partir de la même famille de matériaux. Ce problème est principalement du à la différence importante de paramètre de maille entre les puits quantiques InGaN et la couche GaN sur saphir utilisée comme substrat qui provoque une forte contrainte compressive. Cette contrainte est à l’origine d’un champ électrique interne dans les puits quantiques, préjudiciable au rendement d’émission, et d’un taux d’incorporation d’indium faible bien qu’originellement thermodynamiquement difficile.Cette thèse de doctorat propose de résoudre ce problème en réalisant la croissance de la DEL sur un pseudo-substrat InGaN appelé InGaNOS fabriqué par Soitec.Après avoir identifié les limitations des structures InGaN/GaN sur substrat GaN sur sapphire classique pour l’émission efficace à grande longueur d’onde, des structures « tout-InGaN » ont été crues par EPVOM sur substrats InGaNOS. Il a été démontré que la contrainte était partiellement relaxée et que l’incorporation d’indium était plus facile. Grâce à des caractérisations optiques et structurelles fines, les différentes étapes depuis la reprise de croissance InGaN jusqu’à la DEL complète ont été étudiées. En photoluminescence (PL), la longueur d’onde de 617 nm a été atteinte à température ambiante. Les performances optiques de ces structures de puits quantiques dans les régions spectrales correspondant au vert, jaune et ambre ont été mesurées et sont comparables aux meilleures valeurs de la littérature. Enfin, la croissance de la première DEL « tout InGaN » sur substrat InGaN a révélé les challenges restants qui nécessiteront des développements complémentaires. / Light emitting diodes (LEDs) based on nitride materials are very efficient in the blue range. These blue LEDs combined with phosphors are used to manufacture white LEDs widely used in the lighting market. Nonetheless, this converted approach presents some disadvantages , like an instability of the color temperature or conversion losses. In this context, the white monolithic LED which produces the white color thanks to different emission wavelengths produced from quantum wells (QWs) placed in the active region is one of the considered solution.However, as emission wavelength increases the quantum efficiency of the InGaN based QWs decreases. This is problematic for the white monolithic application but also for micro-display application which both ideally requires red, green and blue monochromatic LEDs grown in the same material system. This issue is mainly due to the great lattice mismatch between the InGaN QW and the GaN layer on sapphire substrate which induces an important compressive strain. This strain is responsible for a strong internal electric field in the QWs, which is detrimental for the quantum efficiency, and for low indium incorporation rate in GaN, originally thermodynamically difficult.This PhD thesis proposes to tackle this issue by growing the LED on an InGaN pseudo-substrate called InGaNOS manufactured by Soitec.After identifying the limitations of InGaN based structures grown on regular GaN on sapphire substrate for efficient long wavelength emission, full InGaN structures were grown by MOCVD on InGaNOS substrates. It was shown that the strain was partially released and the indium incorporation was made easier. Through fine structural, optical and electrical characterizations, the different steps leading from the InGaN buffer regrowth stage to the complete processed LED were studied. PL emission wavelengths up to 617 nm were reached at room temperature. The optical performances of these MQW structures in the green, yellow and amber range were measured to be comparable to the best ones achieved in the literature. Finally, the growth of the first full InGaN LED structure on InGaN substrate revealed the remaining challenges that will require some additional developments.

Les cellules solaires organiques (OSC) apparaissent comme une technologie prometteuse pour les énergies renouvelables en raison de leur poids léger, leur grande flexibilité et leur processus de fabrication peu coûteux. Jusqu'à présent, la plupart des OPV ont utilisé des dérivés de Fullerene, tels que PCBM ou PC71BM, en tant qu'accepteur d'électrons dans la couche active, qui s'est avéré être un goulet d'étranglement pour cette technologie. Par conséquent, le développement d'accepteurs non-fullerene est devenu la nouvelle force motrice de ce domaine. Les cellules solaires tout-polymères (tous-PSC) qui ont les avantages de la robustesse, de la stabilité et de l'accessibilité ont déjà atteint PCE jusqu'à 9%. Ainsi, le développement de nouveaux matériaux accepteurs est impératif pour améliorer les performances de tous les PSC. / Organic solar cells (OSCs) appear as a promising technology for renewable energy owing to their light weight, great flexibility and low-cost fabrication process. So far most of the OPV shave been using fullerene derivatives, such as PCBM or PC71BM, as the electron acceptor in the active layer, which have been proven to a bottleneck for this technology. Therefore,developing non-fullerene acceptors has become the new driving force for this field. All-polymer solar cells (all-PSCs) that have the advantages of robustness, stability and tunability have already achieved PCE up to 9%. Thus, developing novel acceptor materials is imperative for improving the performance of all-PSCs.

Ces travaux de doctorat concernent le développement de la tomographie électronique appliquée à la nano-caractérisation tridimensionnelle de dispositifs à semi-conducteurs et de matériaux pour la micro et la nanoélectronique. Les contributions les plus significatives de ces travaux sont (i) l'exploration et l'application de différents modes de contraste en microscopie électronique à transmission (TEM) pour des applications spécifiques liées au semi-conducteurs et (ii) l'investigation de nouvelles pistes pour améliorer encore la résolution spatiale, en particulier en adaptant les schémas d'acquisition en tomographie. Le TEM en balayage (STEM), basé sur des mesures annulaires aux forts angles et en champ sombre (HAADF) a été mis en œuvre pour observer des dopants dont le numéro atomique est typiquement largement supérieur à celui de la matrice (en silicium), et nous avons combiné le TEM résolu en énergie (EFTEM) dans un régime de faible perte d'énergie des électrons avec les techniques de tomographie afin de reconstruire les spectres de perte d'énergie locaux, en chaque voxel. La tomographie double-axe a été expérimentalement mise en œuvre pour améliorer la résolution spatiale, et le potentiel de la tomographie à axe multiple a été démontré, grâce aux simulations. Enfin, des algorithmes de reconstruction basés sur la minimisation de la variation totale ont été appliqués à la tomographie électronique. Les analyses effectuées comprennent les transistors triple-grille, les nanofils III-V, les capacités à base de nanofils de silicium et le silicium sur-dopé au sélénium, un matériau utilisé pour des applications optoélectroniques. / In this thesis electron tomography is developed and applied as a tool for three-dimensional nanoscale characterization of semiconductor materials and devices. The major contributions of this thesis are the exploration and application of transmission electron microscopy (TEM) contrast techniques for specific semiconductor applications and the exploration of routes towards improving spatial resolution, in particular by adapting tomographic acquisition schemes. As contrast techniques we apply high-angle annular dark-field (HAADF) scanning TEM (STEM) for investigations of heavy dopants in a lighter environment and we combine spectral low-loss energy-filtered TEM (EFTEM) with tomography and explore the features of reconstructed low-loss spectra. For resolution improvement we experimentally apply dual-axis electron tomography and investigate the potential of multiple-axis tomography based on simulations. Furthermore reconstruction algorithms based on totalvariation minimization are applied to electron tomography. Samples investigated in this work include tri-gate transistors, III-V nanowire heterostructures and silicon nanowire based capacitors as well as selenium-hyperdoped silicon, a material for optoelectronic applications.

Les Pérovskites hybrides organique-inorganique (PHOIs) ont suscité d’intenses recherches au coursdes dernières années. Dans cette thèse, nous avons dans un premier temps mis au point les différentsprocessus de préparation des échantillons et réalisé une caractérisation complète des films parmicroscopie à force atomique, spectroscopie photo-électronique par rayons X, mesure du potentiel desurface par sonde de Kelvin et mesure de la mobilité des charges par temps de vol. La distribution despièges à l'interface PHOI/Au a été étudiée via des mesure J-V-L en fonction de la températurecombinées avec des simulations numériques. Les relaxations diélectriques dans les PHOIs, tels que lamigration des ions et l’orientation du dipôle du cation organique, ont été étudiés par spectroscopied’impédance en fonction de la température. Dans la dernière partie de cette thèse, nous présentons uneétude originale qui démontre un mouvement des protons du groupement ammonium des cationsorganiques à l’interface avec le PEDOT : PSS. / Hybrid-organic-inorganic perovskites (HOIPs) have provoked intense research over the recent years.In this thesis, we contribute to this investigation by first examining the results of different solutionpreparation processes, followed by characterizing the films using atomic force microscopy, X-raydiffraction, ultra-violet photoelectron spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, Kelvin probesurface potential measurement, and time-of-flight mobility measurement. The state distribution of theHOIP/Au interface was then studied by low temperature J–V–L measurement combined withnumerical simulation. In the process of these characterizations, it became clear that the dielectricrelaxations in HOIPs, such as ion migration and organic cation dipole orientation, play an importantrole in the material, and the next part of the thesis presents an analysis of these mechanisms with thehelp of temperature dependent impedance spectroscopy measurement. These studies built thefoundations for the final part of the thesis, where we investigated a so far elusive subject in HOIPs, themigration of protons

Le developpement des transistors a effet de champ organiques est limite par les performances des semi-conducteurs organiques disponibles sur le marche, la mobilite des charges electriques (mu) atteinte de maniere reproductible est de 1cm2/Vs. Un des principaux frein est la presence de defauts lies a l'organisation moleculaire. Les oligothiophenes sont a l'heure actuelle parmis les semi-conducteurs organiques les plus performants, c'est pourquoi nous avons decide de baser notre recherche sur des derives du terthiophenes et du quaterthiophene. Ces composes s'organisent de maniere a permettre une conduction a deux dimensions. Mais la mobilite de charge est limitee par des defauts de plan au sein du reseau moleculairemais aussi aux defauts dus aux irregularite de l'interface dielectrique/semi-conducteur.<p>Afin de remedier a ce probleme, nous avons envisage deux approche: l'une pour la diminution des defauts de plan par l'utilisation de phase cristal liquides; l'autre vise la diminution des defauts dus aux irregularites de la surface du substrat, par l'utilisation de systemes pi relies par un pont covalent.<p>Les 5,5'-dialkylterthiophenes (chaines allant du propyle au dodecyle) et le 5,5'- dihexylquaterthiophene sont conus pour former des phases cristal liquides. Mais ces dernieres n'apparaissent cependant qu'a des temperatures superieures a 45degC. LEs chaines alkyles utilisees etant toutes des chaines lineaires, notre premiere idee a ete de synthetiser de nouveaux derives avec des chaines alkyles ou alkenyles branchees. Une voie de synthese 'one-pot' permettant de varier aisement les chaines alkyles greffees dans les positions alfa et beta des bi-, ter- et quaterthiophene a ete mise au point. La reaction d'alkylation se fait en presence de n-BuLi et t-BuOK avec des rendements variant entre 80 et 90%. LEs composes obtenus par cette methode ne presentent pas les proprietes requises, c'est pourquoi une nouvelle modification structurale a ete envisagee: la dyssymetrisation. Cette fois les chaines greffees sur les positions alfa et beta sont differentes. De nouvelles voies de synthese ont ete etablies dans ce but. Elles sont basees sur l'heterocouplage de Suzuki qui va permettre la formation d'un lien carbone-carbone entre deux unites oligothiophenes. Ce couplage donne des rendements compris entre 35 et 65%. <p>Notre connaissance de la formation de comnposes dissymetriques va etre directement appliquee a la formation des unites oligothiophenes reliees par un pont covalent. Quelque soit la nature du pont, il est necessaire de passer par un oligothiophene subtsitue en position alfa et pas omega. Deux types de ponts covalents ont ete utilises, un pont etylene et un pont disulfure, ce qui a requis la mise au point de deux schemas de synthese differents. POur les composes possendant un pont ethylene, un des synthon comporte deja un pont, l'etape finale consiste en un couplage de Suzuki. En ce qui concerne les derives possedant un pont sulfure, la formation du pont se fait lors de la derniere etape. <p><p>Les proprietes thermotropes de tous les composes synthetises ont ete mesurees, cela nous a permis de faire une etude comparative dans le but de relier la structure aux proprietes thermotropes. La taille du corps aromatique, la longueur des chaines alkyles, la presence de branchements, d'insaturations sur les chaines laterales, de meme que la dissymetrisation ont ete etudies. Nous avons tentes de correler l'evolution des proprites thermotropes de nos composes avec l'evolution des temperatures de fusion des alcanes et alcenes correspondant. Cela donne de bons resultats pour les derives du terthiophenes, mais l'augmentation de la taille du corps aromatique complique fortement les resultats, LEs constatations les plus importantes sont que la presence de branchements sur les chaines alkyles provoque la diminution des temperatures de transistions des terthiophenes et des quaterthiophenes. Meme si en plus, ces branchements provoquent la perte du caractere fluide pour les terthiophenes. Il est incontestable que la methode qui permet de modifier de facon plus fine les temperatures de transition est la dissymetrisation. Cela nous permet d'obtenir des composes possedant les proprietes rechercheesa a savoir une phase cristal liquide a temperature ambiante. Sans toutefois comprendre le lien subtil entre la structure moleculaire et les proprietes thermotropes. <p>Afin de comprendre les proprietes de semi-conduction des composes synthetises, nous avons fabriques des transistors a effet de champ avec trois d'entre eux; le 5,5'-dihexylquaterthiophene sert de compose modele, un derive du quaterthiophene possedant une phase cristal liquide a temperature ambiante et derive compose de deux unites hexylquaterthiophene relies par un pont ethylene. Les resultats pour le compose presentant une phase cristal liquide sont peu concluants. IL ne montre aucune proprietes de semi-conduction, ce qui peut s'expliquer par la difference de longueur des chaines alkyles greffees ,qui induit un deplacement lateral defavorable au transport de charges. Pour le compose ponte une mobilite de charge de 0.015cm2/V.s. a ete mesuree ( compose de reference 0.013 cm2/V.s.) avec un dielectrique de rugosite nulle. Nous pouvons conclure que le compose ponte possede bien les proprietes de semi-conduction desirees. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Nos travaux concernent la synthèse et la caractérisation d'oxydes dopés par la méthode d'électrodéposition sous champ magnétique.L'enjeu d'une telle recherche est double puisqu'il associe une étude de synthèses électrochimiques et l'obtention de matériaux associant des propriétés semi-conductrices et magnétiques.Les oxydes étudiés sont l'oxyde de cuivre (I) dopé par le manganèse ou par le cobalt, et l'oxyde de zinc dopé par le cuivre.Notre objectif est l'élaboration sous champ magnétique d'oxydes de type DMS (semi-conducteurs magnétiques dilués), et leurs caractérisations physiques et chimiques.En effet, l'addition du dopage et celui du champ magnétique appliqué pendant l'électrodéposition génèrent des effets sur les matériaux électrodéposés.Nous avons ainsi mis en évidence des modifications au niveau de la morphologie, de la texture, de la composition, et des propriétés optiques ou magnétiques des matériaux obtenus. / Our work focuses on the synthesis and characterization of doped oxides by electrodeposition method under magnetic field superimposition.The goal of this research presents two challenges, because it combines a study of electrochemical synthesis and obtaining materials with optical and magnetic properties. The materials which have been studied are manganese or cobalt doped copper (I) oxide on the one hand, and the copper doped zinc oxide in the other hand.Our goal is the elaboration of diluted magnetic oxides, and the study of their physical and chemical characterizations.Indeed, the effects of doping and of the magnetic field applied during the electrodeposition can provide interesting changes in morphology, texture, composition and optical and magnetic properties of the obtained materials.

Nous présentons dans cette thèse une utilisation de la structure dite de stries huileuses présente lors de la compétition entre deux ancrages antagonistes de part et d’autre d’un film sub-micrométrique de cristal liquide en phase smectique pour réaliser le contrôle à l’échelle individuelle de l’orientation d’émetteurs de photons unique ainsi que de l’auto-organisation ultérieure lorsque la concentration est augmentée. La morphologie interne de cette structure est étudiée à l’aide d’observations en microscopie optique polarisée, d’ellipsométrie et de diffraction de rayons X. L’analyse de ces résultats mène au modèle présenté en fin de chapitre 2 caractérisé par la formation d’un réseau de défauts topologiques orientés. Ces stries huileuses sont ensuite utilisées pour permettre l’alignement à l’échelle individuelle de particules semi-conductrices, des dots-in-rods de CdSe:CdS, suivant l’axe principal des défauts. Le chapitre 3 présente l’insertion des particules et la mesure de l’orientation de leur dipôle associé ainsi que celle du degré de polarisation. Le chapitre 4 discute du comportement des particules pour une concentration élevée, avec outre leur orientation leur auto-organisation au sein des stries huileuses. Nous faisons une analyse statistique de la densité des amas formés à la surface d’un échantillon et des informations résultant de la structure des amas sur l’organisation des défauts dans différentes situations. On observe un alignement des nanoparticules à l’échelle unique et en amas, ainsi qu’un maintien ou un renforcement du degré de polarisation mesuré, montrant une auto-organisation des amas favorisant l’interaction entre les dipôles des particules. / This thesis discusses the use of a liquid crystal structure, called oily streaks, formed by the competition of two antagonist anchoring on each side of a submicrometric liquid crystal layer, to achieve the self-alignment and, for higher concentration, the organization, of single photon emitters on an individual scale. We discuss the internal layout of these oily streaks through measurements done in polarized optical microscopy, ellipsometry and X-ray diffraction analysis. These data sets are correlated in chapter 2 into a description of the internal structure of the oily streaks, characterized by the formation of a pattern of oriented topological defects, and an analysis of their behaviour. These streaks are then used as a template to align single photon emitters, CdSe:CdS dot-in-rods, on an individual scale alongside the main axis of the defects. We measure the alignment of their dipoles as well as their degree of polarization in order to discuss the behaviour of the particles in the topological defects of the oily streaks. The last chapter presents a statistical analysis of the behaviour of nanoparticles in oily streaks once their concentration is increased, depending on their size in number of particles as well as the characteristics of the structure in which the single particles or the clusters are trapped. We use these elements to further our understanding of the layout of oily streaks in different thicknesses and configurations as we observe the alignment phenomenon both with single particles and clusters, as well as, for the clusters, a similar or superior degree of polarization compared to single particles, indicating an interaction between the particles’ dipoles.