Les méta-matériaux offrent la possibilité d'obtenir des propriétés physiques nettement améliorées en comparaison avec celles des matériaux naturels. Dans ce travail, nous explorons une nouvelle variété de métamatériaux thermoélectriques à base de micro-et nano-structuration du silicium, sous la forme de super-réseaux verticaux, avec comme visée applicative la récupération d'énergie thermique ainsi que le refroidissement. En outre, nous focalisons nos efforts sur une méthodologie expérimentale permettant la réalisation de ces matériaux par des moyens simples et peu coûteux. La première partie de cette thèse sert d'introduction aux phénomènes thermiques qui constituent la base de la conduction électrique et de la dissipation de chaleur dans les nanostructures, respectivement par émission thermo-ionique et par la diffusion de phonons. Cette partie détaille également les principes et résultats de caractérisation thermique à l'aide des méthodes 3ω et 2ω. La deuxième partie de cette thèse décrit les approches de micro- nanostructuration descendante « top-down » et ascendante « bottom-up », en vue de la fabrication de super-réseaux nanométriques sur du silicium mono-cristallin. La nouvelle architecture verticale proposée soulève des défis technologiques qui sont traités à travers l'exploration de techniques expérimentales originales pour produire, d'une manière efficace et sur de grandes surfaces, des structures submicroniques à fort facteur de forme. Ces techniques comprennent l'utilisation de motifs résultant de lithographie traditionnelle combinée à l'extrusion pour en produire des structures volumiques. En outre, l'utilisation de nanofibres et de diblocs copolymères comme nano-motifs géométriques sont également présentés pour nous rapprocher davantage de l'objectif ultime du projet / Metamaterials offer the benefit of obtaining improved physical properties over natural materials. In this work, we explore a new variety of thermoelectric metamaterials based on silicon micro- and nano- structuration, in the form of vertical superlattices for use in energy-related applications. Additionally, we focus on a route towards fabricating these materials using simple and low-cost means compared to prior attempts. The first part of this thesis serves as an introduction to the thermal phenomena which form the basis for electrical conduction and heat dissipation by thermionic emission and phonon scattering at the nanoscale. These principles forms the crux of the device. This section also details the characterization principles and results using the 3ω and 2ω methods for thermal measurement. The second part of this thesis describes both top-down and bottom-up approaches towards fabricating nanoscale superlattices from single-crystalline silicon. The novel proposed vertical architecture raised technological challenges that were tackled through the exploration of original experimental techniques for producing high aspect ratio (HAR) structures in an effective manner and over large surface areas. These techniques include the use of traditional lithography patterning and subsequent extrusion of volumic structures. Additionally, the use of nanofibers and diblock copolymers as templates for further etching of HAR silicon nanostructures are also presented to bring us closer to the ultimate goal of the project

Les photodétecteurs infrarouge à multipuits quantiques (QWIP : Quantum Well Infrared Photodetector) sont des composants pluridisciplinaires : science des matériaux nécessaire à l'épitaxie, transport électronique dans ces couches semi-conductrices, modélisation électromagnétique du couplage optique, contrôle des process de salle blanche. Il est impératif de maîtriser chacune de ces composantes afin d'exploiter cette technologie pour des applications d'imagerie infrarouge. L'objectif de cette thèse est de permettre l'élargissement de la gamme spectrale accessible aux QWIPs. Pour ce faire, nous avons étudié les points communs et les spécificités de la physique de ce composant entre 3 et 20 µm. En particulier, nous avons traité de cette problématique dans les domaines que sont le transport électronique et l'aspect matériau. Après une introduction générale sur l'imagerie infrarouge et sur le composant QWIP, nous présentons les résultats d'une étude structurale et chimique des hétérostructures AlGaAs / InGaAs. Ces alliages constituent le cœur du détecteur, c'est pourquoi l'extension des longueurs d'onde de détection passe en premier lieu par le contrôle et donc la connaissance, de ces matériaux. La suite de ce travail de thèse est consacrée à l'étude des différents régimes de transport électronique dans les QWIPs : régime tunnel séquentiel résonant, régime de fort champ, régime thermoïonique et régime optique. Bien que les différents modes de transport soient observables sur l'ensemble des échantillons, certains d'entre eux ne sont dominants que pour quelques applications spécifiques. Enfin, nous montrons que la maîtrise des différentes étapes de conception et de fabrication nous permet d'optimiser les QWIPs dans la bande 3-5 µm pour des besoins de détection terrestre et de réaliser des QWIPs large bande dans la gamme 10-20 µm pour des applications spatiales.

Les propriétés électroniques et thermoélectriques de matériaux basés sur Mg2Si ont été étudiées par calculs DFT et semi-classiques (théorie de Boltzmann). Les effets d’abaissement de dimensionalité et de contraintes ont été étudiés. Les calculs ont été effectués sur les films monocristallins orientés 001, 110 et 111 et sur les films polycristallins. Seul le film monocristallin orienté 110 a montré des propriétés thermoélectriques intéressantes. Trois types de contraintes ont été investiguées: uniaxiale, biaxiale et isotrope. L’augmentation de la contrainte sur Mg2Si produit un décalage du maximum du facteur de puissance (PF) vers les basses températures. Comparé à Mg2Si non contraint, le coefficient Seebeck (S) augmente uniquement sous contrainte isotrope. On montre l’équivalence des propriétés thermoélectriques entre Mg2Si contraint dans la direction [110] et celles du film orienté 110. Les contraintes de tension isotropes ont été modélisées en insérant des atomes Sb dans Mg2Si massif conduisant aux structures Mg2Si:Sb, Mg2Si:3Sb and Mg2Si:4Sb. Seul Mg2Si:4Sb produit une contrainte isotrope. Les effets de substitutions de Sn pour Si dans Mg2Si massif sont similaires à ceux observés pour Mg2Si sujet à des contraintes en tension uniaxiales et biaxiales. Pour les films Mg2Si1−xSnx orientés 110 le S du matériau dopé p est supérieur à celui des massifs Mg2Si et Mg2Si1−xSnx. Concernant les nanostructures, le super-réseau Mg2Si/Mg2Sn est le plus intéressant lorsque faiblement dopé p et à basse température. Les assemblages de fils sont les meilleurs en tant que matériaux faiblement dopés n et à basse température: le PF est quasiment doublé par rapport à celui de Mg2Si massif. / The electronic and thermoelectric properties of Mg2Si-based materials have been investigated by means of DFT calculations and semi-classical Boltzmann theory. The low-dimensional and strain effects on these properties have been studied. The properties have been investigated on 001-, 110- and 111-oriented Mg2Si monocrystalline films, and on polycrystalline Mg2Si film. Only the 110-oriented monocrystalline film has been found to have interesting thermoelectric properties. Three types of strains have been investigated: uniaxial, biaxial and isotropic. Increasing the intensity of the strain on Mg2Si induces a shift of the power factor (PF) maximum towards low temperature. Compared with unstrained Mg2Si, the Seebeck coefficient (S) increases only under isotropic strain. We evidence an equivalence in the thermoelectric properties between Mg2Si material constrained in the [110] direction and the 110-oriented Mg2Si film. Isotropic tensile strains have been modeled by inserting Sb atoms in bulk Mg2Si leading to the stuctures Mg2Si:Sb, Mg2Si:3Sb and Mg2Si:4Sb. Only Mg2Si:4Sb is found to induces such type of constraints. The effects of the Sn for Si substitutions in bulk Mg2Si are very similar to those observed for Mg2Si subjected to uniaxial and biaxial tensile strains. For (110)-oriented Mg2Si1−xSnx films S of the n−doped material outperforms that of the bulk Mg2Si and bulk Mg2Si1−xSnx. Regarding nanostructures, the Mg2Si/Mg2Sn superlattice is most interesting as a p-doped material at low carrier concentration/low temperature. The stick assemblage is best as a n-doping material at low carrier concentration/low temperature where its PF is almost twice as high as that of bulk Mg2Si.