L’intégration de matériaux ferromagnétiques dans des hétérostructures semi-conductrices offre aujourd'hui de nouvelles perspectives dans le domaine de l’électronique de spin. Dans ce manuscrit sont présentés les résultats de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d’hétérostructures de Mn5Ge3 sur Ge(111). Le Mn5Ge3 est un composé ferromagnétique jusqu'à température ambiante qui a l’avantage de pouvoir s’intégrer directement au Ge, semiconducteur du groupe IV. S'agissant d'un matériau relativement nouveau, un des efforts majeurs a porté sur la maîtrise de la croissance des couches minces de Mn5Ge3 par la technique d'épitaxie en phase solide (SPE). Un fort accent a été mis sur les caractérisations structurales, la détermination des relations d'épitaxie avec le Ge(111), afin de les relier aux propriétés magnétiques des films. La seconde partie de ce travail a été consacrée à l'étude des processus cinétiques d'incorporation de carbone dans les couches minces de Mn5Ge3. La combinaison des différents moyens de caractérisations structurales et magnétiques a permis d'aboutir à une augmentation notable de la température de Curie tout en conservant une excellente qualité structurale de la couche et de l'interface avec le Ge et une stabilité thermique jusqu’à 850°C. Tous ces résultats indiquent que les couches minces de Mn5Ge3épitaxiées sur Ge(111) apparaissent comme des candidats à fort potentiel pour l'injection de spin dans les semi-conducteurs du groupe IV / Spin-electronics based on ferromagnetic metal/semiconductor systems offer a pathway toward integration of information storage and processing in a single material. This emerging fieldaims to create a new generation of electronic devices where two degrees of freedom will be associated: spin and charge of carriers. In this context, the outcome of this thesis is toelaborate a novel ferromagnetic compound, namely Mn5Ge3, on Ge using molecular beamepitaxy method. The interests in this compound are manyfold: it can be stabilized as a uniquephase on Ge(111) in the form of epitaxial thin films, it is ferromagnetic until room temperature and it is compatible with Si-based conventional microelectronics. In this work,one major effort was devoted to the epitaxial growth of Mn5Ge3 on Ge using Solid PhaseEpitaxy method. By combining structural and magnetic characterizations, we demonstrated high quality epitaxial thin Mn5Ge3 films with good magnetic properties. We also studied theeffect carbon incorporation on the structural and magnetic properties of epitaxial Mn5Ge3films. The carbon-doped films exhibit a high Curie temperature with an atomically smoothinterface and a high thermal stability. All these results show that Mn5Ge3 is a promisingcandidate opening up the ways for spin injection via tunnel effect through the Schottky barrierinto Ge

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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Nous investiguons dans ce travail la création d'échantillons permettant l'étude du comportement des polaritons excitoniques dans les matériaux semi-conducteurs organiques. Le couplage fort entre les états excités d'électrons et des photons impose la création de nouveaux états propres dans le milieu. Ces nouveaux états, les polaritons, ont un comportement bosonique et sont donc capables de se condenser dans un état fortement dégénéré. Une occupation massive de l'état fondamental permet l'étude de comportements explicables uniquement par la mécanique quantique. La démonstration, au niveau macroscopique, d'effets quantiques promet d'éclairer notre compréhension de la matière condensée. De plus, la forte localisation des excitons dans les milieux organiques permet la condensation des polaritons excitoniques organiques à des températures beaucoup plus hautes que dans les semi-conducteurs inorganiques. À terme, les échantillons proposés dans ce travail pourraient donc servir à observer une phase cohérente macroscopique à des températures facilement atteignables en laboratoire. Les cavités proposées sont des résonateurs Fabry-Perot ultraminces dans lesquels est inséré un cristal unique d'anthracène. Des miroirs diélectriques sont fabriqués par une compagnie externe. Une couche d'or de 60 nanomètres est ensuite déposée sur leur surface. Les miroirs sont ensuite mis en contact, or contre or, et compressés par 2,6 tonnes de pression. Cette pression soude la cavité et laisse des espaces vides entre les lignes d'or. Une molécule organique, l'anthracène, est ensuite insérée par capillarité dans la cavité et y est cristallisée par la suite. Dans leur état actuel, les cavités présentent des défauts majeurs quant à la planarité des miroirs et à l'uniformité des cristaux. Un protocole détaillé est présenté et commenté dans ce travail. Nous y proposons aussi quelques pistes pour régler les problèmes courants de l'appareil. / In this work we investigate the creation of samples for the study of the behavior of excitonic polaritons in organic semiconductor materials. The strong coupling between the excited states of electrons and photons implies the creation new eigenstates in the medium. These new states, called polaritons, are composite bosons and are therefore capable of condensing in a strongly degenerated state. A massive occupation of the ground state allows the study of behaviors that are only explainable by quantum mechanics. A macroscopic demonstration of quantum effects offers a rare opportunity for scientific research and discoveries. The strong localization of excitons in organic materials allows condensation of exciton polaritons at temperatures much higher than in inorganic semiconductors. Therefore the samples proposed in this work could ultimately be used to observe a macroscopic coherent phase at temperatures easily attainable in a laboratory. The cavities proposed in this work are Fabry-Perot resonators in which anthracene is inserted and crystalized. The mirrors used in the resonator are dielectric reflectors made by a external company according to our specifications. A gold layer of 60 nm is deposited on their surface. The mirrors are then brought into contact, gold against gold, and compressed by 2.6 tons of pressure. This pressure seals the cavity and leaves voids between the gold lines. An organic molecule, anthracene, is then inserted in by capillary inside the cavity voids and subsequently crystallized by controlled cooling. In their current state cavities have defects regarding the planarity of the mirrors and the uniformity of the crystals. A detailed protocol is presented and discussed in this work.

Une compréhension profonde de la séparation de charge à l’hétérojonction de semi-con- ducteurs organiques est nécessaire pour le développement de diodes photovoltaïques organiques plus efficaces, ce qui serait une grande avancée pour répondre aux besoins mondiaux en énergie durable. L’objectif de cette thèse est de décrire les processus impliqués dans la séparation de charges à hétérojonctions de semi-conducteurs organiques, en prenant en exemple le cas particulier du PCDTBT: PCBM. Nous sondons les excitations d’interface à l’aide de méthodes spectroscopiques résolues en temps couvrant des échelles de temps de 100 femto- secondes à 1 milliseconde. Ces principales méthodes spectroscopiques sont la spectroscopie Raman stimulée femtoseconde, la fluorescence résolue en temps et l’absorption transitoire. Nos résultats montrent clairement que le transfert de charge du PCDTBT au PCBM a lieu avant que l’exciton ne soit relaxé et localisé, un fait expérimental irréconciliable avec la théorie de Marcus semi-classique. La paire de charges qui est créée se divise en deux catégories : les paires de polarons géminales non piégées et les paires profondément piégées. Les premiers se relaxent rapidement vers l’exciton à transfert de charge, qui se recombine radiativement avec une constante de temps de 1– 2 nanoseconde, alors que les seconds se relaxent sur de plus longues échelles de temps via l’effet tunnel. Notre modèle photophysique quantitatif démontre que 2 % de l’excitation créée ne peut jamais se dissocier en porteurs de charge libre, un chiffre qui est en accord avec les rendements élevés rapportés pour ce type de système. / A deep understanding of charge separation at organic semiconductor heterojunctions is instrumental in developing organic photovoltaic diodes with higher power conversion efficiencies, which could be a game changer for meeting sustainable global energy needs. The goal of this thesis is to describe the processes involved in charge separation at organic semiconductor heterojonctions, taking the special case of PCDTBT:PCBM as an example. We probe interfacial excitations using time-resolved spectroscopic methods covering timescales from 100 femtoseconds to 1 millisecond. These main spectroscopic methods are femtosecond stimulated Raman spectroscopy, time resolved fluorescence and transient absorption. Our results unambiguously show that charge transfer from PCDTBT to PCBM happens before the exciton is relaxed and localised, an experimental fact that in irreconcilable with semi-classical Marcus theory. The charge pair that is created then falls into two categories : un-trapped geminate polaron pairs or deeply trapped geminate polaron pairs. The former quickly relax to charge transfer exciton, which relax radiatively with a time constant of 1–2 nanosecond, while the latter form a charge transfer exciton on much longer timescales via tunneling. Our quantitative photo-physical model demonstrate that 2% of created excitation can never dissociate into free charge carrier, a figure that is in agreement with the high efficiencies reported for this type of system.

Cet ouvrage présente une étude portant sur le polymère P3EHT (poly(3-(20-ethyl)hexyl-thiophene)). Parmi les nombreuses caractéristiques de la dynamique des polarons pouvant être étudiées, seules celles liées aux changement de morphologie le seront dans ce travail. De plus, la vérification du modèle HJ permet d’expliquer la photophysique des polymères conjugués, grâce à l’étude des spectres de photoluminescence. L’étude de la dynamique des polarons à travers l’absorption photo-induite en fonction de la fréquence a permis de trouver les durées de vie pour un même échantillon avec des morphologies différentes. Les résultats ont démontré que la morphologie est non seulement fondamentale pour l’étude des polarons, mais consiste aussi en une caractéristique essentielle pour comprendre le nouveau modèle HJ. / This work presents a study of the polymer P3EHT (poly (3 - (20-ethyl) hexyl-thiophene)). Among the many features of the dynamics of polarons that could be studied further, we chose those related to changes in morphology. In addition, the verification of the model HJ can explain the photophysics of conjugated polymers, through the study of photoluminescence spectra. The study of the dynamics of polarons through photoinduced absorption as a function of frequency allowed us to find the lifetimes of our sample with different morphologies. Our results demonstrate that the morphology is not only to the study of polarons, but is also an essential feature to understand the new model HJ.

L’application du concept de synchronisation appliqué aux composants photoniques non-linéaires a permis l’avènement des communications chaotiques optiques. Les systèmes optoélectronique dans ces chaines de transmission ont déjà démontré leur potentiel en termes de sécurité additionnelle au niveau de la couche physique des réseaux optiques. Cependant, la quantification du niveau de sécurité et l’absence d’un cadre déduit aux aspects multi-utilisateurs (techniques de multiplexage spécifiques) ont fortement freiné le déploiement de ces techniques à large échelle. La recherche effectuée dans le cadre de cette thèse a contribué à l’avancement de ces deux questions ouvertes. Dans premier temps, nous nous sommes intéressés à la sécurité d’une classe de générateur optique particulière: les lasers à semi-conducteur à cavité externe (ECSL). Nous proposons d’attaquer le système dans le contexte le plus difficile, celui dans lequel aucune information n’est a priori disponible. La sortie du laser chaotique (l’intensité optique) est enregistrée, et les séries temporelles obtenues sont analysées. La sécurité est comprise dans ce contexte comme étant la quantité d’information sur les paramètres du système (analogue d’une clé dans les systèmes de cryptage conventionnels) et/ou la fonction non-linéaire du système (l’équivalent de l’algorithme de cryptage). Un ECSL est un système possédant un délai (aussi appelé retard), un paramètre critique pour la sécurité. Nous avons étudié l’influence des paramètres ajustable de l’ECSL chaotique sur l’identification du délai: l’intensité de la rétroaction optique, la valeur du délai, et le courant alimentant le laser (aussi appelé courant de pompe). Dans un deuxième temps nous interprétons ces résultats sur la base des régimes dynamiques précédent l’apparition du chaos dans l’ECSL. Nous avons proposé par la suite une architecture pour multiplexer des signaux chaotiques optiques générés par des ECSL. Nous démontrons la supériorité de cette approche en terme d’efficacité spectrale relativement aux méthodes de multiplexage en longueur d’onde (wavelength division multiplexing, WDM) appliquées aux communications optiques par chaos (aussi connues sous le nom de chaotic WDM ). Nous avons adapté un concept fondamental de la théorie de la synchronisation: la décomposition active-passive (APD) en utilisant des composants optiques simples. Nous démontrons la possibilité de multiplexer et démultiplexage de deux signaux chaotiques optiques par synchronisation (en utilisant deux émetteurs et deux récepteurs). Les performances et la robustesse de cette structure sont analysées ainsi que la possibilité de crypter et de décrypter des messages. Après cela, nous avons utilisé une classe de systèmes optoélectroniques différente de celle correspondant au deux premières sections, avec l’objectif d’utiliser un seul oscillateur chaotique pour encoder plusieurs messages au lieu de considérer un oscillateur par message. A cette fin, nous avons modifié une structure d’un générateur de chaos électro-optique existant dans la littérature en lui ajoutant plusieurs boucles de rétroactions non-linéaires. Chacune d’elle est utilisée pour l’encryptage d’un message, réalisée, par exemple, par la modulation du gain non-linéaire de la boucle. Nous avons analysé différentes configurations possibles, ainsi que les propriétés des signaux chaotiques générés au sein de chaque boucle et utilisés pour transporter les différents messages. Nous avons expliqué dans quelle mesure l’orthogonalité (ou décorrélation) entre les différents signaux peut être utilisée à notre avantage pour dériver des équations de décodage de faible complexité algorithmique (comme fonction du nombre d’utilisateurs). Enfin, nous analysons comment certains phénomènes d’interférences entre signaux porteurs peuvent être pris en compte afin de toujours permettre la récupération des messages. / With the rapid development of optical communications and the increasing amount of data exchanged, it has become utterly important to provide effective architectures to protect sensitive data. The use of chaotic optoelectronic devices has already demonstrated great potential in terms of additional computational security at the physical layer of the optical network. However, the determination of the security level and the lack of a multi-user framework are two hurdles which have prevented their deployment on a large scale. In this thesis, we propose to address these two issues. First, we investigate the security of a widely used chaotic generator, the external cavity semiconductor laser (ECSL). This is a time-delay system known for providing complex and high-dimensional chaos, but with a low level of security regarding the identification of its most critical parameter, the time delay. We perform a detailed analysis of the influence of the ECSL parameters to devise how higher levels of security can be achieved and provide a physical interpretation of their origin. Second, we devise new architectures to multiplex optical chaotic signals and realize multi-user communications at high bit rates. We propose two different approaches exploiting known chaotic optoelectronic devices. The first one uses mutually coupled ECSL and extends typical chaos-based encryption strategies, such as chaos-shift keying (CSK) and chaos modulation (CMo). The second one uses an electro-optical oscillator (EOO) with multiple delayed feedback loops and aims first at transposing coded-division multiple access (CDMA) and then at developing novel strategies of encryption and decryption, when the time-delays of each feedback loop are time- dependent.

Ce mémoire présente les travaux réalisés durant ces trois années de thèse. Ils se sont orientés autour de l'étude des propriétés électroniques et magnétiques des matériaux pour la spintronique. Ce domaine d'avenir doit encore trouver les matériaux adaptés qui permettraient de réaliser les concepts liés à la spintronique. Nos résultats sont les suivants. Nous avons proposé un nouveau modèle qui décrit l'arrangement magnétique dans les couches minces ferromagnétiques possédant une anisotropie uniaxiale. Le modèle apporte une meilleure description des largeurs de domaine en fonction de l'épaisseur ainsi qu'une bonne estimation de l'épaisseur critique à partir de laquelle les domaines de Weiss ne sont plus stables. L'ensemble d'équations en unité réduite découlant du modèle apporte quant à lui un outil supplémentaire aux expérimentateurs. L'étude ab-Initio fait sur les semi-Conducteurs magnétiques dilués à mis en évidence l'importance de la corrélation forte et de l'effet Jahn-Teller dans les matériaux tel que le (Ga,Mn)N et le (Zn,Cr)S. Ces calculs confirment l'ensemble des données expérimentales existantes sur le (Ga,Mn)N. La modélisation analytique apporte un complément aux calculs ab-Initio en faisant le lien entre les paramètres expérimentaux et la théorie de Vallin, très largement utilisée pour interpréter les mesures optiques du (Zn,Cr)S. Nos calculs ab-Initio ont montré que le métacinabre est un isolant topologique robuste, qui se distingue par la présence d'un cône de Dirac extrêmement anisotrope. Les effets de passivation à l'hydrogène influencent les états de surface des isolants topologiques de la série HgX (X : S, Se, Te). / This thesis contains the scientific work of three years. The main topic can be defined as follows : study of electronic and magnetic properties of materials for spintronics. That technology of the future has still to find the necessary materials to realize new concepts. Our results are the following : We propose a new model to describe the magnetic configuration in thin ferromagnetic film with uniaxial anisotropy. It gives a better description of domain widths in function of film thickness and permits to obtain a good evaluation of the critical thickness where domains of Weiss type are no longer stable. The set of equations in reduced units is a useful tool to analyze experimental data. The ab-Initio study of diluted magnetic semiconductors has demonstrated the combined effect of strong correlations and Jahn-Teller distortion in (Ga,Mn)N and (Zn,Cr)S. The calculations confirm the experimental results of (Ga,Mn)N. We develop an analytical model that is complementary to the ab-Initio calculations and permits to create a link between several experimental parameters, the ab-Initio calculations and the former theory of Vallin. It has been used to interpret the optical measurements of (Zn,Cr)S. Our ab-Initio studies show that metacinnabar is a strong topological insulator with one peculiarity, it has a highly anisotropic Dirac cone. The passivation with hydrogen atoms influences the surface states of the topological insulator in the series HgX (X : S, Se, Te). When the dangling bonds are saturated by hydrogen, the trivial surface states disappear.

Le SiC est un matériau semi-conducteur à large bande d'énergie interdite dont les très bonnes caractéristiques électriques et thermiques en font un candidat idéal pour la fabrication de composants dans le domaine de la puissance et des détecteurs de rayonnement. En particulier, la réalisation de détecteurs UV est très attendue dans les domaines suivants : détection d'incendies, imagerie de surface, astronomie, médecine, militaire… Les photodétecteurs à base de semiconducteurs à large bande interdite permettent d'obtenir une très bonne sélectivité dans l'UV, sans avoir à utiliser de filtres optiques. Le SiC semble être le matériau le plus prometteur, grâce à sa bonne stabilité chimique, mécanique et thermique, ce qui représente un avantage pour opérer en environnement extrême. Cependant le dopage du SiC nécessite un savoir-faire très particulier (implantation à chaud, recuit à haute température, forte dynamique de chauffe…). Nous nous sommes proposés dans un premier temps de réaliser par implantation (ionique et plasma) des composants tests, permettant d'accéder aux caractéristiques des jonctions. Le cas des jonctions implantées n+p et p+n a été étudié. Après l'optimisation des paramètres technologiques de l'implantation et du recuit associé, la fabrication de détecteurs de rayonnement basés sur la diode Schottky ou la diode p.n a été mise en œuvre. Une étape de simulation de ces composants a été effectuée sur le logiciel Sentaurus Device (Synopsys). Les caractérisations de ces détecteurs ont montré une meilleure sensibilité pour les diodes implantées Bore par plasma. / Silicon carbide is a wide band-gap semiconductor with electrical and thermal characteristics particularly suitable for high power devices and radiation sensors. The realisation of UV detectors is mainly useful in the following sectors: fire detection, surface imagery, astronomy, medicine, military... The photodetectors based on wide band-gap semiconductors allow to get a very good selectivity, without using optical filters. Silicon carbide seems to be the most promising material, due to its chemical, mechanical and thermal stability, inducing a reliable behaviour in extreme environment. However SiC doping requires a distinct know-how (hot ion implantation, high temperature annealing, rapid heating-rate…). Test devices have been firstly processed by using ion implantation and plasma, allowing evaluating p+n or n+p junction characteristics. After the optimisation of the technological parameters of implantation and related annealing, the realisation of radiation detectors based on Schottky or p.n diodes has been carried out. The electrical simulations of such devices were performed with Sentaurus Devices program (Synopsys). The characteristics of the devices proved an improvement with the Boron-plasma implantation.