L’objectif de cette thèse était d’étudier les propriétés de conversion de photons des ions terres rares insérées dans des matrices d’oxydes transparents en vue d’application photovoltaïques. En particulier, le but était de fonctionnaliser des couches minces déjà utilisées dans les cellules solaires comme couches antireflet ou oxydes transparents conducteurs. Nous avons donc sélectionné deux matériaux (ZnO et CeO2) compatibles avec les cellules solaires au silicium.Ce travail a montré que les couches minces dopes aux terres rares peuvent être utilisées pour convertir les photons dans des applications photovoltaïques, mais qu’il n’est pas facile d’obtenir des rendements élevés.Cependant, nous avons obtenu des informations très importantes sur l’influence de la matrice sur les propriétés de conversion des terres rares et sur les mécanismes de transfert d’énergie entre la matrice et la terre rare. / The objective of this thesis was to investigate the photon converting properties of rare earths (RE) ions embedded in transparent oxide hosts in view of potential application on silicon solar cells. In particular, the goal was to functionalize thin films that are already used in solar cells such as anti-Reflection coatings or transparent conductive oxides.Two host materials (ZnO and CeO2) have been selected, which are compatible with silicon solar cells.This work shows that RE-Doped transparent oxide films are a viable low-Cost solution for obtaining photon-Converting layers that can be applied on solar cells, but that achieving high efficiencies is much more difficult than it might appear in theory. Nevertheless, very valuable information has been obtained on the effect of the host material on the photon management properties and on the energy transfer mechanisms in these systems. In particular, the energy level diagram of some of the rare earth ions in the specific matrices has been reconstructed.

Les films minces sont couramment employés pour apporter de nouvelles fonctionnalités au verre plat. Dans une grande gamme de produits industriels pour le bâtiment et l'automobile, l'isolation thermique est améliorée par le dépôt de films nanométriques d'Ag qui sont suffisamment minces pour la transparence optique mais suffisamment épais pour refléter l'infrarouge. Ces revêtements bas-emissifs sont des empilements complexes de films minces qui sont déposés à l'échelle industrielle par pulvérisation cathodique sur les panneaux de verre. Le démouillage ou la délamination peuvent réduire la performance optique et la durabilité du produit en raison de l'adhésion médiocre entre l'Ag et les couches adjacentes. Le film d'Ag est par conséquent pris en sandwich entre des couches texturées {0001} de ZnO qui se trouve être le meilleur candidat pour améliorer la cristallisation et l'adhésion. Des couches dites bloqueurs de métaux de transition tels que le Ti sont également ajoutées à l'interface. Dans ce cadre industriel, cette thèse s'est penchée sur divers aspects fondamentaux des interfaces métaux/ZnO en combinant des approches de science des surfaces sur des monocristaux et des films pulvérisés. Plusieurs stratégies de mesure et systèmes modèles ont été employés pour aborder les questions du contact électrique à l'interface Ag/ZnO, du contrôle de la polarité dans les films pulvérisés de ZnO et de l'évolution de la chimie à une interface enterrée Ti/ZnO lors d'un traitement thermique. / Thin films are a common way to add functionality to flat glass. In a wide range of commercial products for building materials and automotive industry, thermal insulation is improved by the deposition of a continuous nanometric film of Ag which is thin enough to ensure optical transparency but thick enough to reflect infra-red light. The low-emissive coatings consist of complex stacks of thin films deposited at the industrial scale by magnetron sputtering on window-sized glass plates. Dewetting or delamination may impact the performance and lifetime of the product due to a poor adhesion of Ag. Therefore, Ag is sandwiched in between ZnO{0001}-textured films which turned out to be the best candidate to improve Ag crystallization and adhesion. Blocker layers of transition metals, such as titanium, are also added at the interface. In this industrial context, the present thesis focused on several fundamental aspects of metal/ZnO interfaces by combining surface science approaches on single crystals and model sputtered films. Several original measurement strategies and model systems have been employed to tackle the questions of: (i) the Ag/ZnO electrical contact, (ii) the control of the polarity of sputtered ZnO films on amorphous substrates, and (iii) the evolution of the chemistry of buried Ti/ZnO interface during thermal treatment.

L'oxyde de zinc (ZnO) est un semi-conducteur à large gap direct (3,37 eV) qui possède de nombreuses propriétés intéressantes (piézoélectrique, optique, catalytique, chimique…). Un large champs d'applications fait de lui l'un des matériaux les plus étudiés de la dernière décennie, notamment sous forme nanostructurée. Dans ce travail, nous nous intéressons à la synthèse par électrochimie des couches minces, des micro- & nano-plots, et des nanofils de ZnO. Deux méthodes ont été utilisées : la première dite Template consiste à la fabrication des micro- et nanopores en réseau ordonné à l'aide de la technique lithographique dans lesquels a lieu la croissance du ZnO ; la seconde consiste à la croissance libre de réseau de nanofils. Les caractérisations structurales, morphologiques et optiques du ZnO ainsi élaboré ont été réalisées par diffractométrie des rayons-X (DRX), microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie électronique en transmission (MET), spectroscopie Raman, spectroscopie UV et photoluminescence (PL). Les propriétés électriques des couches minces et des réseaux de nanofils (sous l'effet collectif) de ZnO ont été étudiées par des mesures «courant tension» (I-V) à température ambiante dans la configuration métal/semi-conducteur/métal à l'aide d'un réseau de micro-électrodes métalliques déposé en surface du ZnO. Cette étude nous a permis de déterminer qualitativement la conductivité électrique du ZnO et les différents paramètres de la jonction Schottky entre le ZnO et le substrat doré. Celle-ci est fondamentale et indispensable pour la réalisation d'un dispositif de récupération d'énergie tel que le nanogénérateur de courant piézoélectrique à base de nanofils de ZnO / Abstract Zinc oxide (ZnO) is direct wide band gap semiconductor (3.37 eV) with many interesting properties (piezoelectric, optical, catalytic, chemical …). A wide range of applications makes it one of the most studied materials in the past decade, particularly when elaborated as nanostructures. In this work, we focus on electrochemical synthesis of ZnO thin films, micro- and nano-pillars as well as nanowires. Two methods were used: the first, called “Template”, consists of growing ZnO into organized arrays of micro- and nanopores made by lithographic methods ; the second consists of the free growth of nanowires array. The morphological and optical characterizations of the obtained ZnO were carried out using scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM), X-ray diffraction (XRD), Raman and UV spectroscopy, and photoluminescence (PL). Electrical properties of the electrodeposited ZnO (thin films and nanowire networks) were studied using I-V measurements at room temperature in metal/semiconductor/metal configuration, by the use of an array of metallic micro-electrodes deposited on the surface of ZnO. This allows determining qualitatively the electrical conductivity of ZnO and the different parameters of the Schottky junction between ZnO and the substrate (Au). This study is necessary for future applications based on ZnO nanowires array such as the solar cell and the piezoelectric nanogenerator

Les nitrures d’éléments III (III-N) sont des matériaux prometteurs pour la réalisation de dispositifs intersousbandes (ISB) : leur discontinuité de potentiel élevée en bande de conduction (1.75 eV) leur permet de couvrir une grande gamme de longueur d’onde du proche infrarouge jusqu’au Térahertz (THz), et enfin l’énergie élevée de phonon optique (90meV) laisse entrevoir la possibilité de réaliser des sources émettant dans le THz tout en fonctionnant à température ambiante. Mes travaux portent sur les détecteurs à cascade quantique (QCD) et sur les lasers à cascade quantique (QCL) à base de III-N fonctionnant dans le THz.Dans un premier temps, j’expose les concepts, la réalisation et la caractérisation de plusieurs détecteurs à cascade quantique (QCDs) à base de nitrures (AlGaN/GaN) fonctionnant dans le proche IR entre 1 et 2 µm.. Ensuite, je propose la conception de dispositifs devant fonctionner dans le THz. Je commence par décrire les difficultés inhérentes à l’obtention de transitions ISB dans la gamme THz dans les puits de nitrures polaires et je propose une approche pour les contourner. Je détaille après la conception de QCDs devant fonctionner à 5 et 6 THz. Puis, je propose une structure de QCL devant émettre à 2.5 THz.En parallèle, j’ai aussi travaillé sur les oxydes d’éléments VI (II-VI). Ces matériaux possèdent les mêmes avantages que les nitrures d’éléments III. J’ai caractérisé une série d’échantillons épitaxiés contenant des puits de ZnO/ZnMgO. Les mesures attestent de la présence d’une transition ISB et m’ont permis de donner une estimation de la discontinuité en bande de conduction, valeur jusque-là très mal connue. / Nitrides are promising materials for producing intersubband devices (ISB): their high potential discontinuity in conduction band (1.75 eV) allows them to cover a wide wavelength range from near infrared to terahertz (THz), and finally the high energy optical phonon (90 meV) suggests the possibility of producing sources emitting THz while operating at room temperature. My research focuses on quantum cascade detector (QCD) and quantum cascade lasers (QCL) based on III-N operating in the THz.First, I outline the concepts, realization and characterization of several quantum cascade detectors (QCDs) based on nitrides (AlGaN / GaN) operating in near infrared between 1 and 2 microns. Then, I propose design of devices working in the THz range: I describe difficulties inherent in getting ISB transitions in THz fields in polar nitride quantum well. I detail the design of QCDs operating at 5 and 6 THz. Then I worked on QCL operating at 2.5 THz.In parallel, I also worked on VI elements oxides (II-VI). These materials have the same benefits as III nitrides. I characterized a series of samples containing quantum wells ZnO / ZnMgO. Measurements show the presence of ISB transitions and allow me to provide an estimation of the conduction band offset, which value was not well known prior to this work.

The results of combined IR absorption and photoconductivity studies on hydrogen donors in ZnO and TiO2 are presented. It is shown that hydrogen donors in ZnO and rutile TiO2 can be detected as Fano resonances in the photoconductivity spectra at the frequencies corresponding to the vibrational modes of these defects. In the case of anatase TiO2 IR absorption lines at 3412 and 3417 cm-1 are assigned to the stretching local vibrational modes of a donor in the neutral and the positive charge states, respectively. Interstitial hydrogen is suggested as a tentative model for the defect giving rise to these vibrational modes.

Les cellules solaires pérovskites hybrides ont marqué le monde du photovoltaïque avec une augmentation spectaculaire des rendements durant ces quatre dernières années. Avec des rendements dépassant 20% à l’heure actuelle, ce type de cellules suscite une attention particulière dans le monde scientifique. Dans l’architecture de la cellule solaire pérovskite, le TiO2 est l’oxyde le plus utilisé comme matériau collecteur d’électrons. Cette couche d’oxyde joue un rôle important dans la cellule, cependant le procédé d’élaboration du TiO2 requiert une étape de recuit à haute température. En plus des coûts élevés de production qu’elle implique, son utilisation exclut son application aux substrats sensibles aux hautes températures tels que les substrats plastiques flexibles par exemple.Cette thèse est centrée sur le remplacement du TiO2 par le ZnO en tant que couche collectrice d’électrons et bloqueuse de trous. Ce matériau représente une alternative intéressante en raison de ces propriétés comparables et même supérieures à celles du TiO2. L’intérêt du choix du ZnO réside dans sa simplicité de mise en œuvre. Ce matériau peut en effet être synthétisé à basse température (<100°C) et sous différentes structures. Dans cette étude nous avons fait le choix de considérer les croissances de ZnO par voie électrochimique et par pulvérisation cathodique. Dans des conditions de dépôts optimisées des couches de pérovskite et de ZnO, des rendements record de 14.2% et 9.7% ont été obtenus dans des architectures plane et nanostructurée respectivement. / Perovskite solar cells have marked the photovoltaic world with a spectacular increase of efficiencies over the last four years. With efficiencies exceeding 20%, this type of solar cells attracts a particular attention in the photovoltaic field. In the standard perovskite solar cell stack, TiO2 is used as an electron-collecting layer. This oxide layer plays an important role in the cell, however, its growth process requires a high temperature annealing step. In addition to the high production costs involved, its use also exclude its application to temperatures sensitive substrates such as flexible plastic materials.This thesis focuses on the replacement of the TiO2 bilayer by a ZnO electron-collecting and hole-blocking layer. We consider ZnO as an alternative to its comparable and even superior properties. One of the interests of the choice of ZnO lies in its simplicity of implementation and the possibility to synthesize it at low temperature (<100°C) and under different structures. The ZnO is here synthesized by electrochemical way and sputtering process. Under optimized deposition conditions of perovskite and ZnO layers, record efficiencies of 14.2% and 9.7% have been obtained in planar and nanostructured architecture respectively.

Le dépôt de ZnO sur diamant est actuellement assuré par des méthodes physiques (ALD, sputtering, CVD) coûteuses et complexes à mettre en oeuvre. La réalisation de ces dépôts de ZnO peut également être effectuée via des procédés plus doux tels que le procédé électrochimique qui représente une alternative intéressante car peu coûteux, et facile à mettre en oeuvre. L’électrodépôt de ZnO a été très largement étudié sur divers substrats, notamment pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. Toutefois, seule une étude a été réalisée concernant l’électrodépôt de ZnO sur diamant alors que de nombreuses applications découlent de telles structures : dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW), photo-détecteurs UV ou bien biocapteurs. L’objectif de la thèse réside ainsi dans l’étude de l’électrodépôt de ZnO sur substrat diamant dopé bore en se basant sur le procédé mis en évidence par le groupe de Lincot dans les années 1990. Cette technique consiste à réduire, en présence d’ions Zn2+, l’oxygène dissous pour former des hydroxydes et a fortiori ZnO par réaction des hydroxydes et des ions Zn2+.Le diamant étant un substrat complexe en raison notamment de son grand gap (5,4 eV), un important dopage est nécessaire pour pouvoir l’étudier dans le domaine de l’électrochimie. Dans un premier temps, les conditions d’électrodépôt de ZnO sur diamant (température, potentiel électrique) ont été déterminées avant d’envisager l’étude de l’influence de divers paramètres expérimentaux. Par la suite, l’influence de la composition du bain a été étudiée puisque les concentrations et la nature des précurseurs de zinc et de l’électrolyte support ont été étudiées, permettant de former toute une variété de structures de ZnO sur diamant. Enfin, la dernière partie de la thèse s’est focalisé sur l’influence de la chimie de surface du diamant sur la morphologie, la structure et l’adhérence des dépôts de ZnO formés. L’état de surface initialement hydrogéné du diamant a été modifié en utilisant des traitements électrochimiques conduisant à la formation de groupements oxydés. / Currently, ZnO deposition on diamond is obtained by physicals methods (ALD, sputtering, CVD) which are expensive and difficult to implement. The realization of these ZnO deposits can also be made by softer methods such as electrodeposition which represents an interesting alternative because of its low cost. ZnO electrodeposition has been already studied on several substrates especially for photovoltaic devices. However, only one study has been realized concerning ZnO electrodeposition on diamond while many applications derived from these structures: surface acoustic wave sensors, UV photodetectors, and biosensors. The aim of this work is the study of ZnO electrodeposition on boron doped diamond by following the process highlighted by Lincot et al in 1990s. This process is based on the oxygen reduction reaction leading to the formation of hydroxides which react with Zn2+ cations to form ZnO. Diamond is a complex substrate which presents a large gap of 5.4 eV requiring an important doping to allow its use in electrochemistry. At first, ZnO electrodeposition conditions (temperature, electrical potential) have been determined. The influence of deposition bath has then been studied by varying nature and concentrations on zinc precursor and electrolyte support. Results indicate the possibility to obtain different ZnO/diamond structures by varying theses parameters. Finally, the influence of the surface termination of diamond on ZnO structures, shape and adherence has been investigated by modifying the H-terminated surface on O-terminated surface by using electrochemical treatments.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung, Herstellung und Untersuchung von ZnO-basierten Feldeffekttransistoren (FET). Dabei werden im ersten Teil Eigenschaften von ein- und mehrschichtigen Isolatoren mit hohen Dielektrizitätskonstanten betrachtet, die mittels gepulster Laserabscheidung (PLD) dargestellt wurden. Die elektrischen und kapazitiven Eigenschaften dieser Isolatoren innerhalb von Metall-Isolator-Metall (MIM) bzw. Metall-Isolator-Halbleiter (MIS) Übergängen wurden untersucht. Letzterer wurde schließlich als Gate-Struktur in Metall-Isolator-Halbleiter-FET (MISFET) mit unten (backgate) bzw. oben liegendem Gate (topgate) genutzt. Der zweite Teil konzentriert sich auf Metal-Halbleiter-FET (MESFET), die einen Schottky-Kontakt alsGate nutzen. Dieser wurde mittels reaktiver Kathodenzerstäubung (Sputtern) von Ag, Pt, Pd oder Au unter Einflußvon Sauerstoff hergestellt. ZnO-MESFET stellen eine vielversprechende Alternative zu den bisher in der Oxid-basierten Elektronik verwendeten MISFET dar. Durch die Variation des verwendeten Gate-Metalls, Dotierung, Dicke und Struktur des Kanals und Kontakstruktur, wurde ein Herstellungsstandard gefunden, der zu weiteren Untersuchungen herangezogen wurde. So wurde die Degradation der MESFET unter Belastung durch dauerhaft angelegte Spannung, Einfluss von Licht und erhöhten Temperaturen sowie lange Lagerung getestet. Weiterhin wurden ZnO-MESFET auf industriell genutztem Glasssubstrat hergestellt und untersucht, um die Möglichkeit einer großflächigen Anwendung in Anzeigeelementen aufzuzeigen. Einfache integrierte Schaltungen, wie Inverter und ein NOR-Gatter, wurden realisiert. Dazu wurden Inverter mit sogenannten Pegelschiebern verwendet, welche die Ausgangsspannung des Inverters so verschieben, dass eine logische Aneinanderreihungvon Invertern möglich wird. Schließlich wurden volltransparente MESFET und Inverter, basierend auf neuartigen transparenten gleichrichtenden Kontakten demonstriert.

No description available.

One-dimensional (1D) nanostructures have gained tremendous attention over the last decade due to their wide range of potential applications. Particularly, ZnO 1D nanostructures have been investigated with great interest due to their versatility in synthesis with potential applications in electronics, optics, optoelectronics, sensors, photocatalysts and nanogenerators. The thesis deals with the challenges and the answer to grow ZnO 1D nanostructure by vapor phase transport (VPT) continuously without any length limitation. The conventional VPT technique has been modified for the non-catalytic growth of ultralong ZnO 1D nanostructures and branched structures in large area with controllable aspect ratio. It has been shown that the aspect ratio can be controlled both by thermodynamically (temperature) and kinetically (vapour flux). The thesis also deals with the fabrication of carbon nanotube (CNT) -ZnO based multifunctional devices and the field emission performance of ZnO nanowires by employing various strategies. The entire thesis has been organised as follows: Chapter 1 deals with Introduction. In this chapter, importance of ultralong nanowires and significance of ultralong ZnO nanowires has been discussed. Various efforts to grow ultralong ZnO nanowire with their advantages and disadvantages have been summarised. Lastly the significance of forming ZnO nanowires based nano hybrid structures and importance of doping in ZnO nanowires and has also been discussed. Chapter 2 deals with experimental procedure and characterization. In this chapter, a single step VPT method for the growth of ultralong ZnO nanowires that incorporates local oxidation barrier for the source has been described. The synthesized nanowires were characterised by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman & photoluminescence. Chapter 3 deals with growth of ZnO nanowires, controlling the aspect ratio of ZnO nanowires, and role of other experimental aspects. In this chapter, a way to grow nanowires continuously without any apparent length limitation, a way to control the diameter of the nanowires kinetically without catalyst particle or seed layer and obtaining smaller diameter of the nanowires by non-catalytic growth as compared to that set by the thermodynamic limit has been discussed. Furthermore, the significance and importance of local oxidation barrier on source for protecting them from degradation, ensuring the continuous supply of vapour and enabling the thermodynamically and kinetically controlled growth of nanowires has been discussed. Lastly, the scheme for large area deposition and a method to use same source material for several depositions has been presented. Chapter 4 deals with multifunctional device based on CNT -ZnO Nanowire Hybrid Architectures same device can be used as a rectifier, a transistor and a photodetector. In this chapter, the fabrication of CNT arrays-ZnO nanowires based hybrid architectures that exhibit excellent high current Schottky like behavior with p-type conductivity of ZnO has been discussed. CNT-ZnO hybrid structures that can be used as high current p-type field effect transistors (FETs) and deliver currents of the order of milliamperes has been presented. Furthermore, the p-type nature of ZnO and possible mechanism for the rectifying characteristics of CNT-ZnO has been discussed. Lastly, the use of hybrid structures as ultraviolet detectors where the current on-off ratio and the response time can be controlled by the gate voltage has been presented and also an explanation for photoresponse behaviour has been provided. Chapter 5 deals with the substrate-assisted doping of ZnO nanowires grown by this technique. In this chapter, the non-catalytic growth of ZnO nanowires on multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) and soda lime glass (SLG) with controlled aspect ratio has been presented. The elemental mapping to confirm the presence and distribution of carbon and sodium in ZnO nanowires and the transport studies on both carbon and sodium doped ZnO has also been presented. Furthermore the stability of carbon doped ZnO has also been presented. Lastly, the advantage of growing ZnO nanowires on MWCNTs and overall advantage associated with this technique has been discussed. Chapter 6 deals with formation of ZnO nanowire branched structures. In this chapter, a possibility to grow ZnO nanowires on already grown ZnO nanowires has been demonstrated. The formation of branched structure during multiple growth of ZnO nanowire on ZnO nanowire has been presented and evolution of aspect ratio in these branched structures has been discussed. Furthermore, the advantage of using ZnO branched structures and also the ZnO nanoneedles on MWCNT mat for field emission has been presented. Chapter 7 summarizes all the findings of the thesis.