This thesis investigates the use of high-power lasers for synchrotron radiation sources with high brilliance, from the EUV to the hard X-ray spectral range. Hereby lasers accelerate electrons by laser-wakefield acceleration (LWFA), act as optical undulators, or both. Experimental evidence shows for the first time that LWFA electron bunches are shorter than the driving laser and have a length scale comparable to the plasma wavelength. Furthermore, a first proof of principle experiment demonstrates that LWFA electrons can be exploited to generate undulator radiation. Building upon these experimental findings, as well as extensive numerical simulations of Thomson scattering, the theoretical foundations of a novel interaction geometry for laser-matter interaction are developed. This new method is very general and when tailored towards relativistically moving targets not being limited by the focusability (Rayleigh length) of the laser, while it does not require a waveguide. In a theoretical investigation of Thomson scattering, the optical analogue of undulator radiation, the limits of Thomson sources in scaling towards higher peak brilliances are highlighted. This leads to a novel method for generating brilliant, highly tunable X-ray sources, which is highly energy efficient by circumventing the laser Rayleigh limit through a novel traveling-wave Thomson scattering (TWTS) geometry. This new method suggests increases in X-ray photon yields of 2-3 orders of magnitudes using existing lasers and a way towards efficient, optical undulators to drive a free-electron laser. The results presented here extend far beyond the scope of this work. The possibility to use lasers as particle accelerators, as well as optical undulators, leads to very compact and energy efficient synchrotron sources. The resulting monoenergetic radiation of high brilliance in a range from extreme ultraviolet (EUV) to hard X-ray radiation is of fundamental importance for basic research, medical applications, material and life sciences and is going to significantly contribute to a new generation of radiation sources and free-electron lasers (FELs).

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in Experiment und Theorie mit Laser-Plasma beschleunigten Elektronen und optischen Undulatoren zur Erzeugung von brillianter Synchrotronstrahlung. Zum ersten Mal wird experimentell nachgewießen, dass laserbeschleunigte Elektronenpulse kürzer als 30 fs sind. Ferner werden solche Elektronenpulse erstmalig in einem Demonstrationsexperiment durch einen magnetischen Undulator als Synchrotronstrahlenquelle genutzt. Aufbauend auf diesen experimentellen Erkenntnissen, sowie umfangreichen numerischen Simulationen zur Thomsonstreuung, werden die theoretischen Grundlagen einer neuartigen Interaktionsgeometrie für Laser-Materie Wechselwirkungen entwickelt. Diese neue, in der Anwendbarkeit sehr allgemeine Methode basiert auf raum-zeitlicher Laserpulsformung durch nichtlineare Winkeldispersion wie diese durch VLS- (varied-line spacing) Gitter erzeugt werden kann und hat den Vorteil nicht durch die Fokussierbarkeit des Lasers (Rayleighlänge) begrenzt zu sein. Zusammen mit laserbeschleunigten Elektronen ermöglicht dieser traveling-wave Thomson scattering (TWTS) benannte Ansatz neuartige, nur auf optischer Technologie basierende Synchrotronstrahlenquellen mit Zentimeter bis Meter langen optische Undulatoren. Die hierbei mit existierenden Lasern erzielbaren Brillianzen übersteigen diese bestehender Thomsonquellen-Designs um 2-3 Größenordnungen. Die hier vorgestellten Ergebnisse weisen weit über die Grenzen der vorliegenden Arbeit hinaus. Die Möglichkeit Laser als Teilchenbeschleuniger und auch optischen Undulator zu verwenden führt zu bauartbedingt sehr kompakten und energieeffizienten Synchrotronstrahlungsquellen. Die hieraus resultierende monochromatische Strahlung hoher Brillianz in einem Wellenlängenbereich von extremen ultraviolett (EUV) zu harten Röntgenstrahlen ist für die Grundlagenforschung, medizinische Anwendungen, Material- und Lebenswissenschaften von fundamentaler Bedeutung und wird maßgeblich zu einer neuen Generation ultrakurzer Strahlungsquellen und freien Elektronenlasern (FELs) beitragen. / This thesis investigates the use of high-power lasers for synchrotron radiation sources with high brilliance, from the EUV to the hard X-ray spectral range. Hereby lasers accelerate electrons by laser-wakefield acceleration (LWFA), act as optical undulators, or both. Experimental evidence shows for the first time that LWFA electron bunches are shorter than the driving laser and have a length scale comparable to the plasma wavelength. Furthermore, a first proof of principle experiment demonstrates that LWFA electrons can be exploited to generate undulator radiation. Building upon these experimental findings, as well as extensive numerical simulations of Thomson scattering, the theoretical foundations of a novel interaction geometry for laser-matter interaction are developed. This new method is very general and when tailored towards relativistically moving targets not being limited by the focusability (Rayleigh length) of the laser, while it does not require a waveguide. In a theoretical investigation of Thomson scattering, the optical analogue of undulator radiation, the limits of Thomson sources in scaling towards higher peak brilliances are highlighted. This leads to a novel method for generating brilliant, highly tunable X-ray sources, which is highly energy efficient by circumventing the laser Rayleigh limit through a novel traveling-wave Thomson scattering (TWTS) geometry. This new method suggests increases in X-ray photon yields of 2-3 orders of magnitudes using existing lasers and a way towards efficient, optical undulators to drive a free-electron laser. The results presented here extend far beyond the scope of this work. The possibility to use lasers as particle accelerators, as well as optical undulators, leads to very compact and energy efficient synchrotron sources. The resulting monoenergetic radiation of high brilliance in a range from extreme ultraviolet (EUV) to hard X-ray radiation is of fundamental importance for basic research, medical applications, material and life sciences and is going to significantly contribute to a new generation of radiation sources and free-electron lasers (FELs).

Cette thèse est consacrée à l’étude de l’outil d’épitaxie HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy) pour la synthèse avec et sans catalyseur de nanofils semiconducteurs GaN et GaAs. Une étude systématique de l’influence des conditions expérimentales sur la croissance des fils de GaN est effectuée, afin de démontrer la faisabilité de cette croissance sur la surface des substrats saphir plan-c et silicium sans aucun traitement de la surface préalablement à la croissance. Nous avons démontré la croissance par VLS-HVPE, de nanofils de GaN de diamètres constants de 40 à 200 nm, de longueurs supérieures à 60 μm et présentant des qualités optique et cristallographique remarquables. Pour les nanofils de GaAs, la stabilité, inédite, de la phase cubique zinc-blende pour des diamètres de 10 nm a été démontrée par le procédé de croissance VLS-HVPE sur des longueurs de quelques dizaines de micromètres. Les mécanismes de croissance sont discutés à partir des diagrammes de phase et de la physique de la croissance HVPE qui met en oeuvre des précurseurs gazeux chlorés. Pour les semiconducteurs III-V, cette étude permet d’envisager des applications liées aux nanofils longs qui jusque là n’étaient exploitées que pour le silicium. Ces travaux montrent que dans le contexte des Nanosciences, la HVPE, outil épitaxial à fortes vitesses de croissance, mérite une audience élargie, et peut s’inscrire comme un outil complémentaire efficace aux procédés MOVPE et MBE pour le façonnage contrôlé de la matière à l’échelle nanométrique. / This thesis is devoted to the study of HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy) method of growing GaN and GaAs nanowires with and without catalyst. A systematic study of the influence of the growth conditions on GaN formation was performed in order to demonstrate the feasibility of this growth on c-plane sapphire and silicon substrates without preliminary treatment of the surface. We have demonstrated by VLS-HVPE the growth of the GaN nanowires with constant diameters of 40 to 200 nm and of length up to 60 μm, while they possess remarkable optical and crystal quality. The newly observed stability of the zinc blende structure for GaAs nanowires with diameters of 10 nm has been described by the VLS-HVPE process, for lengths of few tens of micrometers. The growth mechanisms are discussed based on the phase diagram and the physics of near-equilibrium HVPE using chloride precursors. For III-V semiconductors, the study allows us to consider applications related to long nanowires that, at present, are used only for silicon. This work shows that in the context of Nanoscience, the fast growth HVPE method deserves a wider audience and thus could be considered as an effective complementary tool to MOVPE and MBE processes for the controlled shaping of matter on the nanoscale.

Depuis une vingtaine d’année les nanofils des semiconducteurs suscitent un intérêt majeur pour des applications diverses grâce à leurs propriétés optoélectroniques particulières. Dans le domaine du photovoltaïque ils présentent aussi un atout majeur. La combinaison du fort coefficient d’absorption des semiconducteurs III-V et le faible coût des substrats de silicium permettraient la réalisation des cellules photovoltaïques à faible coût et à haut rendement. C’est dans ce contexte que s’est déroulé cette thèse qui visait le développement des dispositifs à base des nanofils III-V pour le photovoltaïque. Dans une première partie, les techniques de nanofabrication pour la réalisation des dispositifs à base d’ensemble de nanofils pour les cellules photovoltaïques sont présentées. Ensuite, la fabrication et la caractérisation de dispositifs à base d’ensembles de nanofils de GaN pour les applications photovoltaïque sont permis d’ouvrir la voie au développement des cellules solaires tandems d’InGaN⁄Si. Dans la suite des travaux on a étudié la croissance des nanofils de GaAs du type cœur-coquille sur Si ainsi que les étapes technologiques pour la fabrication des dispositifs à base d’ensemble de nanofils dans l’optique de préparer le terrain pour la réalisation d’une cellule tandem III-V sur Si. Enfin la croissance et la caractérisation électro-optique des nanofils contenant des jonctions axiales de GaAsP crus par la méthode VLS-EJM a permis de déterminer le type de dopage et l’optimisation de la structure en vue d’obtenir un effet photovoltaïque. / Over the past twenty years, semiconductor nanowires have attracted major interest for various applications thanks to their particular optoelectronic properties. The combination of the high absorption coefficient of the III-V semiconductors and the low cost of the silicon substrates would allow the realization of photovoltaic cells at low cost and high efficiency. It is in this context that this thesis was developed which focused on the development of devices based on III-V nanowires for photovoltaics. In a first part, the nanofabrication techniques for the realization of devices based on set of nanowires for photovoltaic cells are presented. Next, the fabrication and characterization of devices based on GaN nanowire arrays for photovoltaic applications is paving the way for the development of InGaN / Si tandem solar cells. In the following, we studied the growth of core-shell GaAs nanowires on Si as well as the technological steps for the fabrication of nanowire-based devices in order to prepare the ground for the realization of a tandem III-V cell on Si. Finally, the growth and electro-optical characterization of the nanowires containing axial junctions of raw GaAsP by the VLS-EJM method made it possible to determine the type of doping and the optimization of the structure in order to obtain a photovoltaic effect.

This thesis investigates the use of high-power lasers for synchrotron radiation sources with high brilliance, from the EUV to the hard X-ray spectral range. Hereby lasers accelerate electrons by laser-wakefield acceleration (LWFA), act as optical undulators, or both. Experimental evidence shows for the first time that LWFA electron bunches are shorter than the driving laser and have a length scale comparable to the plasma wavelength. Furthermore, a first proof of principle experiment demonstrates that LWFA electrons can be exploited to generate undulator radiation. Building upon these experimental findings, as well as extensive numerical simulations of Thomson scattering, the theoretical foundations of a novel interaction geometry for laser-matter interaction are developed. This new method is very general and when tailored towards relativistically moving targets not being limited by the focusability (Rayleigh length) of the laser, while it does not require a waveguide. In a theoretical investigation of Thomson scattering, the optical analogue of undulator radiation, the limits of Thomson sources in scaling towards higher peak brilliances are highlighted. This leads to a novel method for generating brilliant, highly tunable X-ray sources, which is highly energy efficient by circumventing the laser Rayleigh limit through a novel traveling-wave Thomson scattering (TWTS) geometry. This new method suggests increases in X-ray photon yields of 2-3 orders of magnitudes using existing lasers and a way towards efficient, optical undulators to drive a free-electron laser. The results presented here extend far beyond the scope of this work. The possibility to use lasers as particle accelerators, as well as optical undulators, leads to very compact and energy efficient synchrotron sources. The resulting monoenergetic radiation of high brilliance in a range from extreme ultraviolet (EUV) to hard X-ray radiation is of fundamental importance for basic research, medical applications, material and life sciences and is going to significantly contribute to a new generation of radiation sources and free-electron lasers (FELs).

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'outil d'épitaxie HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy) pour la synthèse avec et sans catalyseur de nanofils semiconducteurs GaN et GaAs. Une étude systématique de l'influence des conditions expérimentales sur la croissance des fils de GaN est effectuée, afin de démontrer la faisabilité de cette croissance sur la surface des substrats saphir plan-c et silicium sans aucun traitement de la surface préalablement à la croissance. Nous avons démontré la croissance par VLS-HVPE, de nanofils de GaN de diamètres constants de 40 à 200 nm, de longueurs supérieures à 60 μm et présentant des qualités optique et cristallographique remarquables. Pour les nanofils de GaAs, la stabilité, inédite, de la phase cubique zinc-blende pour des diamètres de 10 nm a été démontrée par le procédé de croissance VLS-HVPE sur des longueurs de quelques dizaines de micromètres. Les mécanismes de croissance sont discutés à partir des diagrammes de phase et de la physique de la croissance HVPE qui met en oeuvre des précurseurs gazeux chlorés. Pour les semiconducteurs III-V, cette étude permet d'envisager des applications liées aux nanofils longs qui jusque là n'étaient exploitées que pour le silicium. Ces travaux montrent que dans le contexte des Nanosciences, la HVPE, outil épitaxial à fortes vitesses de croissance, mérite une audience élargie, et peut s'inscrire comme un outil complémentaire efficace aux procédés MOVPE et MBE pour le façonnage contrôlé de la matière à l'échelle nanométrique.

L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'influence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanofils par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5µm. / The objective of this PhD is the study of the fabrication and characterization of radial junction solar cells based on crystalline silicon nanowires. A study of the nanowire growth with two metallic catalysts (copper and aluminum) in a reduced pressure chemical vapor deposition system is presented. The influence of the growth conditions on the morphology, doping density and catalyst contamination inside the nanowires is analyzed by electrical, chemical (SIMS) and structural (SEM, TEM, Raman) characterizations. Copper catalyst is used to fabricate a solar cell with p-type nanowire with a radial junction created by n-type amorphous silicon (a-Si:H) deposition. Photovoltaic performances are measured and interpreted. A conversion efficiency of 5% is measured on a solar cell with 1.5µm high silicon nanowires.

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Tato diplomová práce se zabývá přípravou nanostruktur z indium arsenidu (InAs) pomocí metody molekulární svazkové epitaxe (MBE). Důraz je kladen na výrobu struktur ve formě nanodrátů na křemíkovém substrátu. V úvodní části práce je popsána motivace pro studium III-V polovodičů a konkrétně InAs. Následující kapitoly vysvětlují dva základní princpy tvorby nanodrátů. Experimentální část práce diskutuje možnost přípravy indiového katalyzátoru pro samokatalyzovaný růst InAs nanodrátů v konkrétní aparatuře MBE. Následuje prezentace výsledků růstu InAs nanodrátů mechanismem selektivní epitaxe (SAE). Nanodráty byly vyrobeny na substrátu s termálně dekomponovaným oxidem a rovněž na substrátech s litograficky připravenou oxidovou maskou.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in Experiment und Theorie mit Laser-Plasma beschleunigten Elektronen und optischen Undulatoren zur Erzeugung von brillianter Synchrotronstrahlung. Zum ersten Mal wird experimentell nachgewießen, dass laserbeschleunigte Elektronenpulse kürzer als 30 fs sind. Ferner werden solche Elektronenpulse erstmalig in einem Demonstrationsexperiment durch einen magnetischen Undulator als Synchrotronstrahlenquelle genutzt. Aufbauend auf diesen experimentellen Erkenntnissen, sowie umfangreichen numerischen Simulationen zur Thomsonstreuung, werden die theoretischen Grundlagen einer neuartigen Interaktionsgeometrie für Laser-Materie Wechselwirkungen entwickelt. Diese neue, in der Anwendbarkeit sehr allgemeine Methode basiert auf raum-zeitlicher Laserpulsformung durch nichtlineare Winkeldispersion wie diese durch VLS- (varied-line spacing) Gitter erzeugt werden kann und hat den Vorteil nicht durch die Fokussierbarkeit des Lasers (Rayleighlänge) begrenzt zu sein. Zusammen mit laserbeschleunigten Elektronen ermöglicht dieser traveling-wave Thomson scattering (TWTS) benannte Ansatz neuartige, nur auf optischer Technologie basierende Synchrotronstrahlenquellen mit Zentimeter bis Meter langen optische Undulatoren. Die hierbei mit existierenden Lasern erzielbaren Brillianzen übersteigen diese bestehender Thomsonquellen-Designs um 2-3 Größenordnungen. Die hier vorgestellten Ergebnisse weisen weit über die Grenzen der vorliegenden Arbeit hinaus. Die Möglichkeit Laser als Teilchenbeschleuniger und auch optischen Undulator zu verwenden führt zu bauartbedingt sehr kompakten und energieeffizienten Synchrotronstrahlungsquellen. Die hieraus resultierende monochromatische Strahlung hoher Brillianz in einem Wellenlängenbereich von extremen ultraviolett (EUV) zu harten Röntgenstrahlen ist für die Grundlagenforschung, medizinische Anwendungen, Material- und Lebenswissenschaften von fundamentaler Bedeutung und wird maßgeblich zu einer neuen Generation ultrakurzer Strahlungsquellen und freien Elektronenlasern (FELs) beitragen. / This thesis investigates the use of high-power lasers for synchrotron radiation sources with high brilliance, from the EUV to the hard X-ray spectral range. Hereby lasers accelerate electrons by laser-wakefield acceleration (LWFA), act as optical undulators, or both. Experimental evidence shows for the first time that LWFA electron bunches are shorter than the driving laser and have a length scale comparable to the plasma wavelength. Furthermore, a first proof of principle experiment demonstrates that LWFA electrons can be exploited to generate undulator radiation. Building upon these experimental findings, as well as extensive numerical simulations of Thomson scattering, the theoretical foundations of a novel interaction geometry for laser-matter interaction are developed. This new method is very general and when tailored towards relativistically moving targets not being limited by the focusability (Rayleigh length) of the laser, while it does not require a waveguide. In a theoretical investigation of Thomson scattering, the optical analogue of undulator radiation, the limits of Thomson sources in scaling towards higher peak brilliances are highlighted. This leads to a novel method for generating brilliant, highly tunable X-ray sources, which is highly energy efficient by circumventing the laser Rayleigh limit through a novel traveling-wave Thomson scattering (TWTS) geometry. This new method suggests increases in X-ray photon yields of 2-3 orders of magnitudes using existing lasers and a way towards efficient, optical undulators to drive a free-electron laser. The results presented here extend far beyond the scope of this work. The possibility to use lasers as particle accelerators, as well as optical undulators, leads to very compact and energy efficient synchrotron sources. The resulting monoenergetic radiation of high brilliance in a range from extreme ultraviolet (EUV) to hard X-ray radiation is of fundamental importance for basic research, medical applications, material and life sciences and is going to significantly contribute to a new generation of radiation sources and free-electron lasers (FELs).