Au cours de ces travaux de thèse, la mésostructure et le comportement électrique/photoélectrique de mélanges de polymères semi-conducteur et ferroélectrique en films minces ont été étudiés pour des applications en électronique organique. Les propriétés de semi-conduction du P3HT et de ferroélectricité du P(VDF-TrFe) ont été associées au sein d’une même couche active. Il a été observé que le développement d’une morphologie de la couche active en film mince présentant des domaines bi-continus permet de conserver les propriétés intrinsèques des deux matériaux. Des dispositifs de type stockage d’informations ont été réalisés à partir de la couche active composée de 10 % P3HT – 90 % P(VDF-TrFe) et la modulation des propriétés d’injection des dispositifs par le champ ferroélectrique a été étudiée. Des cellules photovoltaïques ont également été réalisées à partir de cette couche active qui présente des propriétés optoélectroniques qui varient selon l’état de polarisation du P(VDF-TrFe). L’influence du champ ferroélectrique sur l’efficacité de la photogénération de charges du P3HT et la modulation du photocourant par l’état de polarisation du P(VDF-TrFe) ont ainsi été déterminées. / In this thesis, the mesostructure and the electric/photoelectric behavior of ferroelectric/semi-conductor polymer blends in thin films have been studied for organic electronic applications. The semi-conductivity property of P3HT was associated with the ferroelectricity of P(VDF-TrFe) in one active layer. It has been observed that the intrinsic properties of both materials remained with the bi-continous morphology of these thin films. Memory devices were fabricated based on the 10 % P3HT – 90 % P(VDF-TrFe) active layer and the modulation of the injection properties by the ferroelectric field has been studied. We have also demonstrated that the P3HT/P(VDF-TrFe) thin films exhibit optoelectronic properties which depend on the polarization state of P(VDF-TrFe). The influence of the ferroelectric field on the photogeneration of charges of P3HT and the variation of the photocurrent with the polarization state of P(VDF-TrFe) were determined.

<p>A method to establish the boundaries of the sensitive volume for a chosen detector to within 50µm (as specified by Elekta Instuments AB) was investigated and is presented in this project. The detector studied was fixed to a positioning system with possibility to move with sub micrometer increments, and scanned in a narrow photon field. The detectors used for the experiment were silicon diodes and a pair of diamond detectors. The silicon diodes showed great promise for future study; two radiotherapy silicon diodes and one electrical component silicon diode were used. The electrical component silicon diode produced a surprisingly sharp dose profile compared with the medical silicon diodes. The diamond detectors gave no stable results at all.</p><p>As a radiation source 60Co proved most feasible, but a diagnostic x-ray source was also tested as well as a 99mTc source. These radiation sources were also examined with a modified Penelope code, i.e. Monte Carlo simulations. What became very obvious with the Monte Carlo simulations was the importance of the line up, which was never satisfactory.</p><p>To limit the sensitive volume of these detectors to within the desired boundaries showed great difficulty and was not achieved in this project.</p>

A method to establish the boundaries of the sensitive volume for a chosen detector to within 50µm (as specified by Elekta Instuments AB) was investigated and is presented in this project. The detector studied was fixed to a positioning system with possibility to move with sub micrometer increments, and scanned in a narrow photon field. The detectors used for the experiment were silicon diodes and a pair of diamond detectors. The silicon diodes showed great promise for future study; two radiotherapy silicon diodes and one electrical component silicon diode were used. The electrical component silicon diode produced a surprisingly sharp dose profile compared with the medical silicon diodes. The diamond detectors gave no stable results at all. As a radiation source 60Co proved most feasible, but a diagnostic x-ray source was also tested as well as a 99mTc source. These radiation sources were also examined with a modified Penelope code, i.e. Monte Carlo simulations. What became very obvious with the Monte Carlo simulations was the importance of the line up, which was never satisfactory. To limit the sensitive volume of these detectors to within the desired boundaries showed great difficulty and was not achieved in this project.

This study armed to develop a biofilter packed only with fern chips for the removal of air-borne low concentration VOCs (volatile organic compounds) emitted from semiconductor manufacturing industries. The fern chip biofilters could avoid the shortcomings of traditional media, such as compaction, drying, and breakdown, which lead to the performance failure of the biofilters. Performance of biofiltration for removal of simulated semiconductor manufacturing emitted gases consisting of IPA (isopropyl alcohol), acetone, HMDS (hexamethylene disilazane), PGME (propylene glycol monomethyl ether), and PGMEA (propylene glycol monomethyl ether acetate) was studied in a pilot-scale biofilter consisted of two columns (40-cmW x 40-cmL x 70-cmH acrylic column) arranged in series. Each column was packed with fern chips to a packing volume of around 56 L (0.40 m¡Ñ0.40 m¡Ñ0.35 mH). A sprinkler was set over the packed fern chips for providing them with water and nutrition solutions. Liquid leached from both layers of chips were collected in the bottom container of the column. The experiment lasted for 182 days which was divided into four phases with varying influent gas flow rates and VOC concentrations. Gas samples collected around 3 times per week from the influent as well a the first and second stage effluents were analyzed for VOC concentrations. On a weekly basis, fern chips sampled from each column were also analyzed for getting pH, moisture, and the absorbed VOC content of the chips. Phase shifted if it obtained a quasi-steady state which was judged by the nearly unchanging VOC removal efficiencies. Operation conditions of an empty bed retention time (EBRT) of 1.50 min and influent VOC concentrations of 159-284 mg/m3 were used in the Phase I experiment which lasted for 15 days. Nutrition of 1.34 g milk powder/m3.d was used in this phase and the conditions gave an average volumetric VOC loading (L) of 15.1 g/m3.h. Effluent VOC concentrations were 3-18 mg/m3 and an average VOC removal of 96% was obtained in this phase. An EBRT of 0.75 min, L of 11.44 g/m3.h, and nutrition of 1.34 g milk powder/m3.d were used in the Phase II experiment. VOCs in the gas could be removed from 90-126 to 1-19.6 mg/m3 and an average efficiency of 94% was obtained. Following Phase II, an average VOC removal of only 48% was obtained with an EBRT of 0.75 min, nutrition of 2.0 g milk powder/m3.d, and L of 22.8 g/m3.h in Phases III experiment during the 56-97th days from the startup time. Additional nitrogen (urea) and phosphorus (potassium dihydrogen phosphate) was added to the media from the 105th day and the VOC removal increased to 80% at the 107th day. An average VOC removal of around 93% was obtained in phase III experiment. The results showed that enough nutrition is essential to the successful performance for the biofiltration process. Phase IV experiment lasted for 59 days with an EBRT of 0.75 min, L of 34.1 g/m3.h, and nutrition of 2.0-6.0 g/m3.d. During the initial period of this phase, media pH dropped from 7.8 to 5.8 due to an excess nitrogen (ammonium chloride) addition as high as 12.35 g N/m3.d which resulted in nitrification reaction in the media. By stopping nitrogen, increasing milk powder dosing, and addition of NaHCO3 at the 140th day, pH restored to 7.5 in the following days. VOC removal increased to an average of 92% in the rest operation days. From the results, it could be proposed that for achieving over 90% of the VOC removal, appropriate operation conditions are media moisture content = 52-65%, media pH = 7-8, influent VOC concentration = 150-450 mg/Am3, EBRT = 0.75 min, and L to the whole media = 11-34 g/m3.h.

Les composants semi-conducteurs à base de matériaux à grand gap (SiC et GaN) présentent des caractéristiques intéressantes pour la réalisation de convertisseurs d’électronique de puissance toujours plus intégrés. Cependant, le packaging des composants traditionnels en silicium ne semble plus adapté pour ces nouveaux composants et apparaît même comme un facteur limitant. Le développement d’un packaging adapté aux caractéristiques des composants à grand gap est alors nécessaire. Les travaux développés dans cette thèse proposent un nouveau packaging tridimensionnel basé sur un procédé de fabrication de circuit imprimé. L’architecture du module est basé sur le concept « Power Chip On Chip » dont le principe de base permet de réduire les perturbations électromagnétiques. Le procédé de fabrication des circuits imprimés offre une grande flexibilité pour le routage en trois dimensions et permet de s’affranchir de l’interconnexion par fil de bonding entre le package et la puce. La démarche de conception du module s’appuie sur une approche multi-physique afin de qualifier le comportement électromagnétique et thermique du module puis de proposer des voies d’optimisation. Un prototype d’un module implémentant quatre cellules de commutation en parallèle, à base de MOSFET SiC, a été produit avec des moyens de production industriels. Les différents tests réalisés valident l’approche retenue dans ce projet mais soulignent également les aspects technologiques à approfondir pour la réalisation d’un module de puissance industriel. / Wide-band-gap (WBG) semiconductors (SiC and Gan) offer interesting characteristics to realize high density power electronics converters. Conventional packaging used for silicon devices is no more adapted for those now components. Development of dedicated packaging for WBG devices is absolutely required. This PhD thesis presents a new 3D package based on Printed Circuit Board (PCB) industrial process. The module architecture is based on “Power Chip On Chip” concept which allows reducing electromagnetic perturbations. PCB fabrication process offers high design flexibility in three dimensions and allows removing wire bonding to interconnect power die and package. The power module design process is buit on multi-physics design tools in the aim to quantify electromagnetic and thermal behavior of the module. Furthermore, several optimization parameters are highlighted. A power module prototype, with four commutation cells in parallel based on SiC MOSFET, has been produced thanks to industrial facilities. Tests realized on new power module confirm the validity of the concept but furthermore to highlight critical technological parameters to realize an industrial power module.

Les transistors organiques sont la base de nombreuses applications de l'électronique organique mais leur rendement électrique ainsi que leur stabilité dans le temps sont encore des verrous technologiques devant être levés. De plus, le phénomène de transport de charges dans ces dispositifs reste une notion encore à l'étude même si différents modèles sont utilisés afin d'expliquer l'effet de champ des transistors organiques. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette étude portant sur la caractérisation par spectroscopie d'admittance de jonctions Métal/oxyde/semi conducteur organique/métal. Elle a pour but d'analyser le comportement électrostatique du semi conducteur organique. Les mesures de spectroscopie d'admittance ont été réalisées sur une large bande de fréquence (0.1Hz à 1Mhz) dans laquelle les pertes diélectriques mesurées peuvent être associées à des phénomènes d'orientation (oscillation) de dipôles présents dans la structure. Les réponses en fréquences montrent trois types de comportements dynamiques. A basses fréquences, nous avons observé une diffusion ionique, liée au déplacement d'ions H+ à travers la structure. A hautes fréquences, la réponse est due aux imperfections de l'oxyde. Enfin, aux fréquences intermédiaires, la réponse du semi-conducteur organique est identifiée et attribuée à des dipôles permanents. A partir de ces différentes réponses, un modèle analytique est établi et permet de décrire l'ensemble des réponses dynamiques. Le comportement du semi-conducteur est décrit par la somme d'une fonction de type Debye et de type Cole-Cole. L'analyse des paramètres de ce modèle a permis de mettre en évidence l'influence des dipôles permanents sur la permittivité du film de semi-conducteur organique. Enfin, ce modèle a été validé sur différents échantillons à base de pentacène et a été ensuite appliqué au Poly-3-hexylthiophène. / Organic transistors are vital in many applications of organic electronics but the electrical performance and time stability are technological limitation in order to make this technology reliable. Moreover, in these devices, the charge transport phenomenon has not to be clearly understood even if different models are commonly used to explain the field effect in organic transistors. In this context, this thesis talks about the admittance spectroscopy characterization of metal / oxide / organic semiconductor / metal junctions and analysis the organic semiconductor electrostatic behavior.The admittance spectroscopy measurements were performed on a wide frequency range (0.1Hz to 1MHz) in which the measured dielectric loss may be associated with the orientation phenomenon (as oscillation) of dipoles present in the structure.The frequency responses show three dynamic behaviors. At low frequencies (<10Hz), we observed an ionic diffusion, which is related to the ions movement of H+ through the structure. At high frequencies, (>10kHz) the response is due to defects into the oxide. Finally, at intermediate frequencies, the organic semiconductor response is identified and assigned to the permanent dipoles into the bulk. From these responses, an analytical model is developed and used to describe the dynamic responses. The semi-conductor behavior is described by the sum of a Debye and Cole-Cole function type. The analysis of the model parameters has highlighted the influence of permanent dipoles on the organic semiconductor permittivity. Finally, this model has been agreed on different samples based on pentacene and was applied to the Poly-3-hexylthiophene.

Les boîtes quantiques semiconductrices, confiné dans les trois directions de l’espace, ont une structure électronique proche de celle d’un atome. Une excitation lumineuse y crée des états hors équilibre entraînant l’émission des différents états de charge. Ce travail porte sur l’étude de boîtes quantiques GaAs/AlGaAs produites par une méthode d’épitaxie par jet moléculaire modifiée sur un substrat de GaAs (111) insérées dans une structure de type diode. La première partie porte sur la séparation des différents états de charge dans une boîte unique par la tension appliquée puis leur identification compte tenu de l’échange coulombien et de leurs propriétés magnéto-optiques. Une deuxième partie porte sur l’interaction hyperfine des trous avec le champ nucléaire. Un modèle d’Hamiltonien effectif est proposé pour cette interaction. Des phénomènes de bistabilité, en champ magnétique, de la polarisation des spins nucléaire et électronique sont mis en évidence. / The electronic structure of a semiconductor quantum dot, with 3D carrier confinement on the nano-scale, is close to an atom with discrete state. Above-gap laser excitation creates different exciton state that show very rich emission patterns. This work studies GaAs/AlGaAs quantum dots grown droplet epitaxy on (111)A GaAs substrate embedded in a diode structure. The first part of this thesis presents the spectral separation of exciton complexes due to the bias applied to the sample; the different charge states are identified by analyzing the Coulomb exchange interaction and magneto-optics behavior. The second part studies the hyperfine interaction of the hole spin confined to a dot with the nuclear spins of the atoms that form the dot. An effective Hamiltonian model is proposed for this interaction. Bistable nuclear and also carrier spin polarization states are uncovered in magnetic field dependent measurements.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de dérivés du pérylène-3,4:9,10-tétracarboxylique acide diimide comme semi-conducteurs pour l'électronique organique, et plus particulièrement pour la réalisation de transistors organiques à effet de champs. Les objectifs de ce travail sont la synthèse de dérivés du pérylène à l'aide entre autres de réactions d'halogénation ou de couplage de Suzuki-Miyaura, et la fabrication de transistors organiques à effet de champs. Dans un premier temps, une large gamme de dérivés du pérylène a été synthétisée et caractérisée. Des études spectroscopiques et électrochimiques ont pu être menées, notamment afin de déterminer les énergies des orbitales frontières de nos molécules. Puis dans un second temps, la réalisation de transistors organiques à effet de champs a été mise en oeuvre, en commençant par un gros travail d'optimisation des conditions de formulation des encres, de dépôt et de traitement du film. Puis ces transistors ont été caractérisés en mesurant les courants drain-source. Mots-clés : semi-conducteur, pérylène, transistor organique à effet de champs, couplage de Suzuki-Miyaura, impression jet d'encre. / This study deals with the synthesis of perylene-3,4:9,10-tetracarboxylic acid bisimide derivatives and their use as semi-conductors for organic electronics, and more specifically for the realization of organic field-effect transistors. The goals of this study are the synthesis of perylene derivatives, using halogenation reactions or Suzuki-Miyaura coupling, and the fabrication of organic field-effect transistors.In the first part of the work, a wide variety of perylene derivatives has been obtained and fully characterized. Spectroscopic and electrochemical studies have been performed to determine energy levels of the frontier orbitals.In the second part, the making of organic field-effect transistors was realized, beginning with the research of optimal conditions for ink formulation, deposition and annealing of the film. Then those devices have been characterized by measuring the source-drain current.Keywords: semi-conductor, perylene, organic field-effect transistor, Suzuki-Miyaura coupling, ink jet printing.

Le transport thermique dans les nanostructures semi-conductrices est un sujet de recherche très actuel, couvrant de larges domaines applicatifs dont l’auto-échauffement des composants nanoélectroniques et la conversion d’énergie par effet thermoélectrique. La modélisation du transport thermique à l’échelle nanométrique est complexe car la longueur des dispositifs devient du même ordre de grandeur que le libre parcours moyen des porteurs de chaleurs (phonons). L’hypothèse de pseudo-équilibre local n’est plus pertinente, de plus des effets de confinements peuvent aussi apparaitre. Il faut donc développer des outils de modélisation spécifiques.Pour prendre en compte les effets de confinement, j'ai calculé les relations de dispersions des phonons dans les nanostructures. Pour cela, j’ai mis en œuvre une méthode atomistique semi-empirique nommée ABCM (« Adiabadic Bond Charge Model »). J’ai pu ainsi calculer, dans l'ensemble de la zone de Brillouin (« Full Band »), la dispersion des phonons dans du silicium et du germanium en phase Zinc-Blende et aussi en phase Wurtzite.En outre, afin d’évaluer la résistance thermique d’interface, une extension originale du modèle « Acoustic Mismatch Model », entièrement « full-band », a été développée. Grâce à l’approche « Full-Band » la dépendance à l’orientation relative des cristaux de chaque côté de l’interface a été étudiée. Les effets d’orientations sur la transmission ont aussi été étudiés dans des nanofils polyphasés nouvellement synthétisés dans le laboratoire.En parallèle, pour étudier le transport des phonons, j'ai développé un simulateur Monte Carlo particulaire qui utilise les dispersions « Full-Band » calculées en ABCM. Ce type de simulateur est très polyvalent et permet de décrire l’ensemble des régimes de transports (du balistique au diffusif). De plus, comme il utilise une dispersion « Full-Band » les effets de confinement peuvent aussi être inclus. Ce simulateur m’a permis d’étudier les effets d’un changement d’orientation des plans cristallographiques du cristal sur la conductivité thermiques dans des nanofils de silicium et de germanium. J’ai ainsi évalué l’anisotropie du flux thermique dans ces nanostructures. / The heat transfer in semiconducting nanostructures is a current research topic, covering a wide range of applications including self-heating in nanoelectronic devices and energy conversion via thermoelectric effect. The modeling of heat transport at the nanometer scale is complex as the device length is in the same order of magnitude than the mean free path of heat carriers (phonons). The local pseudo-equilibrium assumption is no longer relevant, moreover confinement effects can also appear. Therefore development of specific modeling tools is highly desirable.To take into account the confinement effects, I have calculated the phonon dispersion relations in nanostructures. For this, I have implemented an atomistic semi-empirical method called ABCM (Adiabadic Bond Charge Model). I have calculated, in the entire Brillouin zone (Full Band approach), the dispersion relationship of phonons in both Silicon and Germanium for both Zinc-Blende and Wurtzite phases.In addition, to evaluate the thermal interface resistance, an original extension of the Acoustic Mismatch Model, completely full band, was developed. Within this approach, the dependence on the relative orientation of crystals has been studied in polytype nanowires that were recently synthesized in the laboratory.In parallel, to study the transport of phonons, I developed a particle Monte Carlo simulator that uses Full-Band dispersions calculated via ABCM. This kind of simulator is very versatile and can describe all transport regimes (from ballistic to diffusive one). Moreover, as it uses a "Full-Band" dispersion confinement effects can also be included. This simulator allowed me to study the effects of a change in orientation of the crystallographic planes on the thermal conductivity in both silicon and germanium nanowires. I have thus evaluated the anisotropy of the heat fluxes in these nanostructures.

L'objectif de ce travail de thèse est de participer à l'élaboration de nanocristaux (NCs) de germanium et de mettre en évidence certaines propriétés de structures Si(n)/SiO2 contenant ces NCs non recouverts sur leur surface par l'utilisation de la technique nano-EBIC (courant induit par bombardement électronique et collecté par un nano-contact). La particularité de cette technique basée le même principe que l'EBIC classique est l'utilisation d'une pointe AFM conductrice à la place de l'électrode standard. Nous avons particulièrement ciblé le comportement d'un NC (ou d'un nombre très réduit de NCs) à piéger et émettre des porteurs de charge suite à un bombardement électronique non continu. La structure contenant les NCs peut être polarisée sous une tension nulle (alignement des niveaux de Fermi) ou sous une tension faible. Suite à cette procédure, des durées de charge ont été mesurées et les valeurs se trouvent dépendre de la taille moyenne des NCs. En effet, le processus de charge est plus long dans un NC de petite taille du fait de sa faible efficacité de stockage. D'un autre côté, le courant collecté présente une valeur de saturation plus élevée dans le cas des petits NCs. Ces deux effets (durée élevée et courant de saturation élevé dans les petits NCs) ont été expliqués par l'abaissement de la barrière d'énergie au niveau du contact pointe/NC qui résulte de l'élargissement du gap du NC et de l'augmentation du champ électrique dans la couche d'oxyde et dans la zone de désertion du substrat de silicium sous une tension de polarisation donnée. Enfin, la procédure, par son originalité, a aussi permis d'accéder à la résistivité électrique de la couche d'oxyde mince (5 nm). / The objective of this work is to contribute to the production of germanium nanocrystals (NCs) and to highlight some electronic properties of Si(n)/SiO2 structures containing those uncovered NCs on top thanks to the nano-EBIC technique (electron beam induced current collected by a nano-contact). The distinctive feature of this technique based on classic EBIC is the use of an AFM conducting probe instead of the standard electrode. Our study focuses on the capability of a single NC (or a few number of NCs) to trap and to release charge carriers as a result of a non-continuous electronic irradiation. The structure containing NCs can be connected to the ground (ensuring the Fermi levels alignment) or polarized under a low voltage. With this procedure, carriers charging times had been measured and their values depend on the mean diameter of the NCs. Indeed, the charging process takes more time in small NCs due to their weak storage efficiency. Nonetheless, the collected current reaches a higher saturation value in small NCs. Both of these effects (large charging time and high saturation current for small NCs) are explained by the lowering of the energy barrier at the AFM-tip/NCs contact, which results from the widening band-gap of NCs and the increase of the electric field across the oxide and in the Si depletion zone at a given bias voltage for small NCs. At last, this novel procedure allows measuring the electric resistivity of the 5 nanometers thin oxide.