We show full Li/S cells with the use of balanced and high capacity electrodes to address high power electro-mobile applications. The anode is made of an assembly comprising of silicon nanowires as active material densely and conformally grown on a 3D carbon mesh as a light-weight current collector, offering extremely high areal capacity for reversible Li storage of up to 9 mAh/cm(2). The dense growth is guaranteed by a versatile Au precursor developed for homogenous Au layer deposition on 3D substrates. In contrast to metallic Li, the presented system exhibits superior characteristics as an anode in Li/S batteries such as safe operation, long cycle life and easy handling. These anodes are combined with high area density S/C composite cathodes into a Li/S full-cell with an ether- and lithium triflate-based electrolyte for high ionic conductivity. The result is a highly cyclable full-cell with an areal capacity of 2.3 mAh/cm(2), a cyclability surpassing 450 cycles and capacity retention of 80% after 150 cycles (capacity loss <0.4% per cycle). A detailed physical and electrochemical investigation of the SiNW Li/S full-cell including in-operando synchrotron X-ray diffraction measurements reveals that the lower degradation is due to a lower self-reduction of polysulfides after continuous charging/discharging.

Dans la lignée des progrès technologiques récents en électronique, ces dernières décennies ont vu l’émergence d’une variété de systèmes permettant l’interface bioélectronique, allant de la mesure de l’activité électrique émise par l’ensemble du cerveau jusqu’à la mesure du signal émis par un neurone unique. Bien que des interfaces électroniques avec les neurones ont montré leur utilité pour des applications cliniques et sont communément utilisés par les neurosciences fondamentales, leurs performances sont encore très limitées, notamment en raison de l’incompatibilité relative entre les systèmes à l’état solide et le vivant. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié des techniques et des matériaux nouveaux permettant une approche alternative et qui pourraient améliorer le suivi de l’activité de réseaux de neurones cultivés in situ et à terme la performance des neuroprothèses in vivo. Dans ce travail, des réseaux de nanofils de silicium et des microélectrodes en diamant sont élaborés pour respectivement améliorer la résolution spatiale et la stabilité des électrodes dans un environnement biologique. Un point important de cette thèse est également l’évaluation des performances de transistors à effet de champ en graphène pour la bio électronique. En raison des performances remarquables et combinées sur les aspects électrique, mécanique et chimique du graphène, ce matériau apparaît comme un candidat très prometteur pour la réalisation d’une électronique permettant une interface stable et sensible avec un réseau de neurones. Nous montrons dans ce travail l’affinité exceptionnelle des neurones avec une surface de graphène brut et la réalisation d’une électronique de détection rapide et sensible à base de transistor en graphène. / In line with the technological progress of last decades a variety of adapted bioelectrical interfaces was developed to record electrical activity from the nervous system reaching from whole brain activity to single neuron signaling. Although neural interfaces have reached clinical utility and are commonly used in fundamental neuroscience, their performance is still limited. In this work we investigated alternative materials and techniques, which could improve the monitoring of neuronal activity of cultured networks, and the long-term performance of prospective neuroprosthetics. While silicon nanowire transistor arrays and diamond based microelectrodes are proposed for improving the spatial resolution and the electrode stability in biological environment respectively, the main focus of this thesis is set on the evaluation of graphene based field effect transistor arrays for bioelectronics. Due to its outstanding electrical, mechanical and chemical properties graphene appears as a promising candidate for the realization of chemically stable flexible electronics required for long-term neural interfacing. Here we demonstrate the outstanding neural affinity of pristine graphene and the realization of highly sensitive fast graphene transistors for neural interfaces.

Un « Nanonet », acronyme pour « NANOstructured NETwork », est défini comme un réseau de nanostructures unidimensionnelles à fort facteur de forme et aléatoirement orientées sur un substrat. Dans ce travail de thèse, une étude approfondie de nanonets à base de nanofils de silicium est présentée en vue d'une intégration dans des capteurs d'ADN. Une méthode de fabrication simple de ces réseaux a tout été d'abord développée afin d'obtenir des nanonets homogènes et reproductibles. La surface des nanofils a ensuite été fonctionnalisée afin de permettre la détection de l'hybridation de l'ADN par fluorescence. Les capteurs ainsi réalisés présentent une excellente sélectivité et une meilleure limite de sensibilité que des substrats plans. Les propriétés électriques des nanonets de silicium ont également été étudiées ce qui a mené à la description des mécanismes de conduction de ces réseaux. Ainsi, il a été démontré que le comportement électrique de ces structures est dominé par les nombreuses jonctions nanofil-nanofil et suit la théorie de la percolation électrique. De plus, une procédure d'optimisation de ces jonctions a finalement permis de stabiliser les propriétés électriques des nanonets de silicium.Ces réseaux possèdent donc des propriétés remarquables provenant des constituants individuels, les nanofils, qui présentent une surface spécifique élevée, mais également de leur structure en réseaux aléatoires offrant la possibilité de les manipuler simplement et à bas coût à l'échelle macroscopique. Ces travaux ouvrent la voie à l'intégration des nanonets de silicium dans des capteurs d'ADN reposant sur la détection électrique. / A "nanonet", acronym for "NANOstructured NETwork", is defined as a network of one-dimensional nanostructures with high aspect ratio and randomly oriented on a substrate. In this work, a comprehensive study of nanonets based on silicon nanowires is presented for integration into DNA sensors. First, a simple method for the network fabrication has been developed in order to obtain homogeneous and reproducible nanonets. Then, the nanowire surface has been functionalized, so that the DNA hybridization detection is possible by fluorescence. The elaborated sensors exhibit excellent selectivity and a better sensitivity limit than planar substrates. The electrical properties of the silicon nanonets have also been investigated which resulted in the description of the conduction mechanisms of these networks. It has been shown that the electrical behaviour of such structures is ruled by the numerous nanowire-nanowire junctions and follows the electrical percolation theory. Moreover, an optimization procedure of these junctions has allowed stabilizing the electrical properties of silicon nanonets.Therefore, these networks have attractive characteristics which arise from the individual components, the nanowires with a high specific surface, but also from the structural properties of the network itself which can be simply manipulated, at a low cost, on macroscopic scales. This work paves the way for the integration of silicon nanonets into DNA sensors based on electrical detection.

Les cellules solaires à base de nanofils de silicium offrent une alternative intéressante pour la réalisation de panneaux photovoltaïques à haut rendement et à faible coût. Elles bénéficient notamment des excellentes propriétés optiques des nanofils qui forment une surface à très faible réflectivité tout en piégeant efficacement la lumière. Dans cette thèse, nous utilisons et améliorons une méthode de gravure chimique peu coûteuse et industrialisable pour la fabrication de forêts de nanofils de silicium. En adaptant la mouillabilité du substrat et des nanofils, nous avons remédié au problème d'agglomération inhérent à cette méthode lorsqu’on veut obtenir des forêts denses et désordonnées de nanofils. En combinant cette méthode de gravure chimique à la lithographie assistée par nanosphères, nous avons pu fabriquer des réseaux ordonnés de nanofils avec un contrôle précis des propriétés géométriques (diametre des nanofils et distance entre eux). Les propriétés optiques de ces réseaux ont été étudiées théoriquement et expérimentalement afin d'identifier les configurations optimales. Nous avons ensuite fabriqué des cellules solaires à partir de ces différents types de nanofils et deux types de structures. Le premier type, des cellules solaires HIT (Hétérojonction avec couche mince Intrinsèque) à base de nanofils de silicium, a été fabriqué par RF-PECVD. L'optimisation des conditions de dépôt plasma nous a permis d'obtenir des cellules solaires hautement performantes: rendements de 12,9% et facteurs de forme au-delà de 80%. Le second type, des cellules solaires hybrides, est basé sur la combinaison d'une couche organique et des nanofils de silicium. La caractérisation des cellules fabriquées montre des rendements prometteurs. Enfin, nous présentons des résultats préliminaires pour transférer ces concepts à une technologie couches minces. / Silicon Nanowire (SiNW) based solar cells offer an interesting choice towards low-cost and highly efficient solar cells. Indeed solar cells based on SiNWs benefit from their outstanding optical properties such as extreme light trapping and very low reflectance. In this research project, we have fabricated disordered SiNWs using a low-cost top-down approach named the Metal-Assisted-Chemical-Etching process (MACE). The MACE process was first optimized to reduce the strong agglomeration observed at the top-end of the SiNWs by tuning the wettability properties of both the initial substrate and the SiNWs surface. By combining the MACE process with the nanosphere lithography, we have also produced ordered SiNW arrays with an accurate control over the pitch, diameter and length. The optical properties of these SiNW arrays were then investigated both theoretically and experimentally in order to identify the geometrical configuration giving the best optical performance. Disordered and ordered SiNW arrays have been integrated into two types of solar cells: heterojunction with intrinsic thin layer (HIT) and hybrid devices. SiNW based HIT devices were fabricated by RF-PECVD and the optimization of the process conditions has allowed us to reach efficiency as high as 12.9% with excellent fill factor above 80%. Hybrid solar cells based on the combination of SiNWs with an organic layer have also been studied and characterized. The possible transfer of this concept to the thin film technology is finally explored.

Dans cette thèse, nous avons utilisé un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) à basse température afin de fabriquer des minimodules à base de cellules solaires à jonction radiale (RJ SiNWs) sur des substrats de verre de 5x5 cm² en employant la gravure laser pour la mise en série des cellules.Nous avons utilisé une couche de 600 nm d’épaisseur de dioxyde d’étain dopée au fluor (FTO) déposée sur du verre sodocalcique (SLG). La couche de FTO sert à la fois de contact arrière pour le module et de source de catalyseur Sn une fois la couche de FTO réduite par un plasma de H2. Ensuite, on fait croître des SiNW dopés p par le procédé Vapor-Liquid-Solid (VLS) assisté par plasma, suivi d’un dépôt d’une couche de Si intrinsèque a-Si:H et d’une couche de Si dopée n µc-SiOx:H, afin d’obtenir une cellule solaire à jonction radiale PIN. Nous avons obtenu une efficacité énergétique de 6.3 % avec une surface active de 0.126 cm². C’est à notre connaissance l’efficacité la plus élevée obtenue en utilisant une couche de FTO comme source de catalyseur Sn.La gravure laser a été utilisée pour retirer localement des couches minces dans l’objectif de fabriquer des minimodules solaires. Grâce à la gravure laser, une connexion monolithique en série entre les cellules solaires à jonction radiale adjacentes a pu être accomplie. Dans cette thèse, la gravure laser a servi à retirer localement la couche de FTO ainsi que les RJ SiNWs, étapes appelées respectivement P1 et P2. On dépose ensuite une couche transparente d’oxyde d’indium-étain (ITO), servant de contact avant, par pulvérisation cathodique (étape P3), et on procède à la séparation en bandes par la technique « lift-off ». Nous avons mené une étude détaillée de l’étape P2 de gravure obtenue par un laser vert (532 nm) et IR (1064nm). La puissance du laser a un impact direct sur l’ablation des RJ SiNWs, et peut aussi endommager le contact arrière de la cellule. Nous avons déterminé que le laser vert entraîne une fonte partielle de matériau sur les bords de la zone gravée, contrairement au laser IR qui produit des gravures de meilleure qualité. La cartographie Raman des zones gravées permet une analyse des matériaux dans la zone étudiée, et a donné des indications sur la composition des résidus laissés par les impulsions laser. Nous avons démontré que l’utilisation du laser IR pour l’étape P2 de gravure est préférable. Elle permet d’avoir des connexions en série de haute qualité entre les cellules.Enfin, le mini-module optimisé de 10 cm² à base de RJ SiNWs a atteint un rendement de conversion énergétique de 4.37 % avec une puissance générée de 44 mW, grâce à l’amélioration de l’étape P2 et de l’impression par jet d’encre d’une grille dense d’Ag. À notre connaissance, cette puissance générée est la plus élevée rapportée pour des modules solaires à base de cellules à jonction radiale. / In this thesis, we have used a low-temperature plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) reactor to fabricate Si nanowire radial junction solar mini-modules on 5x5 cm2 glass substrates with the assistance of the laser scribing technique for the series connection of the cells.We have used fluorine-doped tin oxide (FTO) deposited on soda-lime glass substrates (SLG) as a back contact as well as the source of the Sn catalyst which was formed by a direct reduction of FTO using a H2 plasma. Subsequently, p-type SiNWs were grown using plasma-assisted vapor liquid solid (VLS) process, followed by the deposition of intrinsic a-Si:H and n-type µc-SiOx:H layers to achieve pin radial junction solar cells. We have obtained an energy conversion efficiency of 6.3 % with an active area of solar cells of 0.126 cm2, which is to our knowledge, the highest efficiency obtained based on FTO layers as a source of Sn catalyst.Laser scribing was used to perform a selective removal of thin-film materials in order to fabricate minimodules. With laser scribing, a monolithic series connection between adjacent RJ SiNW solar cells on the same glass substrate was achieved. In particular, the laser scribing system has been used to perform selective removal of FTO thin-film and RJ SiNWs, which are commonly known as step P1 and P2, respectively, and to perform a final scribe to isolate the active region from the rest of the substrate. The transparent top ITO contact was sputtered and cell stripes were defined using the lift-off technique (step P3).We have carried out a detailed study of the P2 laser scribe obtained with either green (532 nm) or IR (1064 nm) laser setups. The power of the laser has to be controlled as it has a direct impact on the removal of SiNW RJs and it can damage the underneath FTO contact. We have found that the scribing using a green laser produces a partial melting outside the scribed spots, unlike the IR laser which provides a cleaner scribing and less crystallized material at the edges of scribed spots. Mapping of the scribed spots using Raman spectroscopy allowed analyzing the material composition within the scanned area inside the craters left by the laser pulses. We have demonstrated that the use of the IR laser is preferable for P2 scribing because it can provide a high-quality series connection between cells.Finally, the optimized 10 cm2 SiNW RJ mini-module has reached an energy conversion efficiency of 4.37 % with power generation of 44 mW, thanks to the improved P2 laser scribing and the dense Ag grid printed using the ink-jet method. This performance represents, to the best of our knowledge, the highest reported power generation for silicon nanowire-based solar modules on glass substrates.

La recherche sur le photovoltaïque vise à réduire le prix par watt de puissance électrique générée. Des efforts considérables sont menés pour rechercher de nouveaux matériaux et des conceptions qui repoussent les limites des cellules solaires existantes. Le développement récent de matériaux et nanostructures complexes pour les cellules solaires nécessite des efforts plus importants pour mener à bien leur caractérisation et leur modélisation. Cette thèse porte sur la caractérisation optique, la modélisation et l'optimisation de la conception d'architectures de cellules solaires de pointe.Les mesures optiques sont utilisées pour la caractérisation rapide et non destructive des échantillons texturés pour les applications photovoltaïques. Les textures de surface améliorent le piégeage de la lumière et sont donc souhaitées pour améliorer les performances des cellules solaires. D'autre part, ces textures rendent la caractérisation optique plus difficile et des efforts plus importants sont nécessaires non seulement pour la mesure optique elle-même mais également pour la modélisation et l'interprétation ultérieure des données obtenues. Dans ce travail, nous démontrons que nous sommes en mesure d'utiliser des méthodes optiques pour étudier les textures pyramidales très répandues ainsi que les réseaux de nanofils de silicium à orientation aléatoire dont l'analyse est très difficile.Premièrement, nous nous sommes concentrés sur l'étude optique de diverses surfaces pyramidales et de leur impact sur les performances des cellules silicium à hétérojonction. Nous avons constaté que les angles au sommet des pyramides, préparées à l'aide de différentes conditions de texturation, diffèrent de la valeur théorique de 70.52° attendue pour le silicium cristallin. Cette modification de l'angle au sommet est expliquée par la présence, sur les facettes pyramidales, de terrasses monoatomiques régulières, observées par microscopie électronique à transmission de résolution atomique. L'impact d'une variation de l’angle au sommet sur les épaisseurs des couches minces déposées est étudié et les conséquences sur l'efficacité des cellules solaires résultantes sont discutées. Un modèle optique développé pour le calcul de la réflectance et de l'absorption des couches minces en multicouches sur surfaces pyramidales a permis l’optimisation de la conception de la cellule solaire pour un angle au sommet pyramidal donné.L'ellipsométrie matricielle Mueller a été utilisée in-situ pour caractéiser le processus de croissance - par méthode vapeur-liquide-solide activée par plasma - des nanofils de silicium. Nous avons développé un modèle optique facile à utiliser, qui, à notre connaissance, est le premier modèle utilisant des données ellipsométriques expérimentales pour contrôler le procédé de croissance, en phase vapeur-liquide-solide assisté par plasma, des nanofils. La dépendance linéaire observée du dépôt de matériau de silicium avec le temps de dépôt nous permet de suivre le processus de fabrication in situ et de contrôler la qualité du matériau. / Research in photovoltaics aims at lowering the price per watt of generated electrical power. Substantial efforts aim at searching for new materials and designs which can push the limits of existing solar cells. The recent development of complex materials and nanostructures for solar cells requires more effort to be put into their characterization and modeling. This thesis focuses on optical characterization, modeling, and design optimization of advanced solar cell architectures.Optical measurements are used for fast and non-destructive characterization of textured samples for photovoltaic applications. Surface textures enhance light-trapping and are thus desired to improve the solar cell performance. On the other hand, these textures make optical characterization more challenging and more effort is required for both, the optical measurement itself and subsequent modeling and interpretation of obtained data. In this work, we demonstrate that we are able to use optical methods to study the widely used pyramidal textures as well as very challenging randomly oriented silicon nanowire arrays.At first, we focused on the optical study of various pyramidal surfaces and their impact on the silicon heterojunction solar cell performance. We have found that vertex angles of pyramids prepared using various texturing conditions vary from the theoretical value of 70.52° expected from crystalline silicon. This change of the vertex angle is explained by regular monoatomic terraces, which are present on pyramid facets and are observed by atomic resolution transmission electron microscopy. The impact of a vertex angle variation on the thicknesses of deposited thin films is studied and the consequences for resulting solar cell efficiency are discussed. A developed optical model for calculation of the reflectance and absorptance of thin film multi-layers on pyramidal surfaces enabled a solar cell design optimization, with respect to a given pyramid vertex angle.In-situ Mueller matrix ellipsometry has been applied for monitoring the silicon nanowire growth process by plasma-enhanced vapor-liquid-solid method. We have developed an easy-to-use optical model, which is to our knowledge a first model fitting the experimental ellipsometric data for process control of plasma-assisted vapor-liquid-solid grown nanowires. The observed linear dependence of the silicon material deposition on the deposition time enables us to trace the fabrication process in-situ and to control material quality.

Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la réalisation et l’étude des cellules solaires PV hybrides à réseaux interpénétrés utilisant les nanofils de silicium. Nos études ont porté essentiellement sur l’optimisation des structures hybrides à base de PVK ou de MEH-PPV mélangé dans leur volume avec une phase de nanofils de silicium, référant aux structures PVK/NFSi et MEH-PPV/NFSi respectivement. Cette étude a montré l’étroite interdépendance entre la morphologie des nanocomposites et les propriétés photovoltaïques des cellules réalisées. Nous avons étudiés l’influence de la concentration des nanofils de silicium sur le processus de dissociation des paires photo-générées. Nous avons également étudié l’effet des traitements thermiques et nous avons mis en évidence un meilleur transfert de charge dans le cas des structures PVK/NFSi. Nous avons aussi observé l’influence bénéfique de la désoxydation ainsi que le traitement de fonctionnalisation des nanofils sur l’amélioration du transfert de charge dans le cas des structures réalisées. En conclusion, nous avons montré que les cellules PV hybrides à réseaux interpénétrés utilisant les nanofils de silicium peuvent être optimisées grâce à la compréhension et au réglage fin du transfert de charges / The work presented in this thesis focuses on the implementation and study of hybrid solar cells interpenetrating networks using silicon nanowires. Our studies have focused on the optimization of hybrid structures based PVK or MEH-PPV mixed in their volume with silicon nanowires phase, referring to structures PVK/NFSI and MEH-PPV/NFSI respectively. This study showed the close interdependence between morphology and properties of nanocomposites photovoltaic cells made. We studied the influence of the concentration of silicon nanowires on the dissociation process of photo-generated pairs. We also studied the effect of heat treatment and we have demonstrated a better load transfer in the case of structures PVK/NFSI. We also observed the beneficial effect of deoxidation treatment and functionalization of the nanowires on the improvement of charge transfer in the case of structures made. In conclusion, we have shown that the PV hybrid cell using silicon nanowires can be optimized through understanding and fine tuning of the charge transfer

The present work is a theoretical ab initio study of silicon (mainly) and silicon-based or “silicon-like” Nanocrystals and nanostructures, such as core/shell quantum dots and ultra-thin nanowires of Si, Ge, and Sn. The main focus is on the quantum confinement of Si quantum dots and the description of their structural, cohesive, electronic, and optical properties in terms of size, growth pattern and surface conditions. An important outcome of such study, besides the very satisfactory agreement with experimental measurements for nanocrystals (up to 32 Å in diameter), is the judicious extrapolation of the nanoscale results all the way to infinite silicon crystal, and the successful comparison with experiment (for both the energy gap and the cohesive energy of crystalline silicon). This is an additional verification for the essential correctness of our approach. Our present results, which are based on earlier findings of prof. Zdetsis’ group for spherical Si quantum dots, are in full agreement with those results and predictions. We have expanded our study to selective cases of pure C, Ge, Sn and their mixed nanocrystals and nanowires. Thus, the classes of systems studied here include: a) Silicon quantum dots terminated by hydrogen of three different growth models (spherical, elongated, and reconstructed) without and with oxygen “contamination” of four different modes (double bonds, bridging single bonds, hydroxyl formation and mixed modes). b) Analogous quantum dots, pure and mixed (core/shell) of C, Si, Ge, and Sn. c) Ultrafine silicon and germanium nanowires of various growth patterns. The majority of this work is based in density functional theory (DFT), both ground state and time-depended, using in most cases the hybrid functional of Becke, Lee, Parr and Yang (B3LYP), and in several places the PBE and PBE0 functionals. A limited number of calculations was performed with post SCF methods, such as many-body perturbation theory (MP2) or Coupled cluster CCSD(T), for comparison. For the study of Si and Ge nanowires we have also used properly selected (and tested) semiempirical methods and calculations. These theoretical methods and techniques are reviewed in considerable detail in the first three chapters (Part I) of the present thesis. The results of the calculations are discussed in Part II, divided in three Chapters (4-6). Chapter 4 is devoted to the structural, electronic, cohesive and elastic properties of ultrafine hydrogenated silicon and germanium nanowires. Chapter 5 describes the influence of the growth patterns and surface conditions on structural, cohesive, and electronic properties of silicon nanocrystals, as well as their size dependence all the way to infinity. This (very successful) size dependence, in full accord with quantum confinement, is also compared with the (poor) predictions of the BOLS correlation scheme. Finally, Chapter 6 deals with carbon, silicon, germanium, tin and their mixed core/shell quantum dots. / --

My thesis is devoted to the study of transport properties of Silicon Nanowires obtained by a bottom-up approach. The choice for the material system has been limited to undoped SiNWs because they are considered as the ultimate choice for ultrascaled electronic devices. For these systems, the problem of an effective carrier injection in the semiconductor is particularly important. The mechanism of carrier injection in Gate-All-Around Schottky barrier transistors was studied by temperature dependent measurements. Multiple gates are used to discriminate between different device switching mechanisms occurring either at the source and drain contacts, or at the level of the silicon channel. The gating scheme has proved be effective in suppressing the Schottky barrier enabling carrier injection at low temperature. Moreover, different electronic functionalities like p-n junctions and logic gates can be successfully implemented in such devices without the need of doping. I will describe a novel technique for the fabrication of metal silicide contacts to individual silicon nanowires based on an electrically-controlled Joule annealing process. This has enabled the realization of silicide-silicon-silicide tunnel junctions with silicon channel lengths down to 8nm. The silicidation of silicon nanowires by Nickel and Platinum could be observed in-situ and in real time by performing the experiments of Joule assisted silicidation in the chamber of a Scanning Electron Microscope. Lastly, signatures of resonant tunneling through an isolated Platinum Silicide cluster were detected in a Silicon tunnel junction. Tunneling spectroscopy in a magnetic field revealed the Zeeman splitting of the ground and the excited states.

Technology scaling beyond Moore’s law demands cutting-edge solutions of the gate length scaling in sub-10 nm regime for low power high speed operations. Recently SOI technology has received considerable attention, however manufacturable solutions in sub-10 nm technologies are not yet known for future nanoelectronics. Therefore, to continue scalinginsub-10 nm region, new one(1D) and two dimensional(2D) “nano-materials” and engineering are expected to keep its pace. However, significant challenges must be overcome for nano-material properties in carrier transport to be useful in future silicon nanotechnology. Thus, it is very important to understand and modulate their electronic band structure and transport properties for low power nanoelectronics applications. This thesis tries to provide solutions for some problems in this area. In recent times, one dimensional Silicon nanowire has emerged as a building block for the next generation nano-electronic devices as it can accommodate multiple gate transistor architecture with excellent electrostatic integrity. However as the experimental study of various energy band parameters at the nanoscale regime is extremely challenging, usually one relies on the atomic level simulations, the results of which are at par with the experimental observations. Two such parameters are the band gap and effective mass, which are of pioneer importance for the understanding of the current transport mechanism. Although there exists a large number of empirical relations of the band gap in relaxed Silicon nanowire, however there is a growing demand for the development of a physics based analytical model to standardize different energy band parameters which particularly demands its application in TCAD software for predicting different electrical characteristics of novel devices and its strained counterpart to increase the device characteristics significantly without changing the device architecture. In the first part of this work reports the analytical modeling of energy band gap and electron transport effective mass of relaxed and strained Silicon nanowires in various crystallographic directions for future nanoelectronics. The technology scaling of gate length in beyond Moore’s law devices also demands the SOI body thickness, TSi0 which is essentially very challenging task in nano-device engineering. To overcome this circumstance, two dimensional crystals in atomically thin layered materials have found great attention for future nanolectronics device applications. Graphene, one layer of Graphite, is such 2D materials which have found potentiality in high speed nanoelectronics applications due to its several unique electronic properties. However, the zero band gap in pure Graphene makes it limited in switching device or transistor applications. Thus, opening and tailoring a band gap has become a highly pursued topic in recent graphene research. The second part of this work reports atomistic simulation based real and complex band structure properties Graphene-Boron nitride heterobilayer and Boron Nitride embedded Graphene nanoribbons which can improve the grapheme and its nanoribbon band structure properties without changing their originality. This part also reports the direct band-to-band tunneling phenomena through the complex band structures and their applications in tunnel field effect transistors(TFETs) which has emerged as a strong candidate for next generation low-stand by power(LSTP) applications due to its sub-60mV/dec Sub threshold slope(SS). As the direct band-to-band tunneling(BTBT) is improbable in Silicon(either its bulk or nanowire form), it is difficult to achieve superior TFET characteristics(i.e., very low SS and high ON cur-rent) from the Silicon TFETs. Whereas, it is explored that much high ON current and very low subthreshold slope in hybrid Graphene based TFET characteristics open a new prospect in future TFETs. The investigations on ultrathin body materials also call for a need to explore new 2D materials with finite band gap and their various nanostructures for future nanoelectronic applications in order to replace conventional Silicon. In the third part of this report, we have investigated the electronic and dielectric properties of semiconducting layered Transition metal dichalcogenide materials (MX2)(M=Mo, W;X =S, Se, Te) which has recently emerged as a promising alternative to Si as channel materials for CMOS devices. Five layered MX2 materials(exceptWTe2)in their 2D sheet and 1D nanoribbon forms are considered to study the real and imaginary band structure of thoseMX2 materials by atomistic simulations. Studying the complex dispersion properties, it is shown that all the five MX2 support direct BTBT in their monolayer sheet forms and offer an average ON current and subthresholdslopeof150 A/mand4 mV/dec, respectively. However, onlytheMoTe2 support direct BTBT in its nanoribbon form, whereas the direct BTBT possibility in MoS2 and MoSe2 depends on the number of layers or applied uniaxial strain. WX2 nanoribbons are shown to be non-suitable for efficient TFET operation. Reasonably high tunneling current in these MX2 shows that these can take advantage over conventional Silicon in future tunnel field effect transistor applications.